一种低成本的CCR电池充电解决方案

对于手机、数码相机(DSC)、音乐播放器等便携设备中常见的单节锂离子电池等而言，充电一直是一个颇有挑战性的问题，因为既要满足特定应用要求，又要确保安全和无故障的充电操作。本文由此提出一种低成本的CCR电池充电解决方案，方案中给出了将恒流稳流器(CCR)用于可充电电池的低成本充电电路，为其提供了终止充电的简单控制器。

1 电池种类及充电技术选择

三种最常见的充电电池分别是镍金属氢化物(NiMH)、镍镉(NiCad)和锂离子(Li-ion)。电池充电速率用字母“C”表示。“C”定义了 1.0小时的电池容量。例如，一个额定值为800 mAh(毫安时)的电池可以用0.5C充电，因而使电池完全充电需要以400 mA充电电流充电超过2个小时。图1是充电电路的基本框图。

图1:充电电路基本框图

1.1 镍氢和镍镉电池

镍氢电池的额定电压为1.2 V/节，应该用高达1.5-1.6 V/节的电压充电。要决定何时中断充电有几种不同技术可以采用，其中包括：峰值电压检测、负Δ电压、Δ温度(dT/dt)、温度阈值和定时器。对于高端充电器这些技术都有可能组合用在一个充电器当中。

CCR充电器是一个峰值电压检测电路，可在预定峰值终止充电，为上述电池的充电提供了一个合适的解决方案。其预定峰值电压为1.5 V/节，可将电池充电至约97%的程度。镍镉电池可以使用该电路充电。其表现与镍氢电池非常相似，所以这种方法很合适。

1.2 锂离子电池

对锂离子电池而言，常用的充电方法是在0.5C到1C条件下通过涓流充电将电池充电至4.2 V/节。在充电过程中，锂离子电池的温升应保持在低于5℃，较高的温升表明可能会引发自燃。涓充部分的充电周期电池温升最大，最有可能自燃。由于这个问题，高端充电可使用智能IC来监视和控制锂离子电池的充电过程。

2 恒流稳流器(CCR)充电电路设计

本文讨论的CCR控制器没有使用涓流充电，因此消除了可能自燃的问题，让电池处在一个安全工作区有助于提高电池的使用寿命。不过，不使用涓流充电，电池将只能充电到约85%的程度。

2.1 设置参考电压

利用三端可编程分流稳压器TL431可以设置参考电压。它可在其参考引脚提供一个恒定的2.5 V输出。当如图2所示连接两个外部电阻时，参考电压可以选为2.5 V至36 V.出于我们的目的，我们将R2设置为1.0 kΩ，并将Rref调整到我们想要匹配的参考电压。用来得出R2/Rref比率的公式是：

图2:参考电压的设置

2.2 迟滞环路比较器

LM311是一个单比较器，用来比较参考电压与电池电压。连接到反相输入端的是电池电压。迟滞是由输出和非反相输入端之间的反馈电阻(Rh)提供的。R3是一个1.0 kΩ的电阻，用来简化R3/Rh的比例。通过调整Rh可以改变迟滞环的带宽。增加Rh可以减少带宽，反之亦然。建议迟滞的带宽大于200 mV,因为在充电终止时，电池的电压会略微下降一些。高电压与低电压的反相输入公式是：

图3:迟滞设置

图4:充电电路原理图

2.3 电流开关

电路中的两个双极结型晶体管(BJT)(Q3和Q6)作为控制充电电流的开关。Q6的基极是通过一个5.6 kΩ电阻(R6)由比较器的输出控制的。Q6的集电极通过一个1.0 kΩ电阻(R5)连接到Q3的基极。当比较器的输出变为低电平时，Q6被关闭，导致Q3关闭而终止充电电流。

2.4 稳流

电池的充电电流采用一个CCR来控制。电流可以通过一个可调节CCR和/或并联CCR来调整。这个演示板是专门为两个并联CCR(Q4和Q5)设计的(可以并联连接两个以上的CCR,以便能够达到你想要的任何电流)。对于本文讨论的实验，CCR(NSI45090JDT4G)可以在90 mA至160 mA范围内调整。三个用于数据分析的电流分别是90、180和300 mA.

2.5 指示器LED

为了表明电池正在充电，组合使用了一颗CCR、Q7及一个LED.CCR为LED提供个恒流。在没有电池连接到充电器时，LED也将“导通”.当LED“关闭”时，表明电池已完全充电。

2.6 设置不同的测试电流