USB端口对NiMH电池智能充电的实现
当USB端口带有一个总线供电的USB集线器,集线器上接了低功耗设备时,USB口上允许的直流电压跌落如图1所示。大功率负载与总线供电的集线器连接时,电压跌落将超过图1给出的指标,并会引起总线过载。
图1. 主机至低功率负载的电压跌落大于图中给出的允许直流电压跌落时,会引起总线过载。
电池充电要求
单节锂离子和锂聚合物电池
如今的锂电池充电至最大额定容量后,其电压通常为4.1V至4.2V之间。当前市场上正在出售的、更新的、容量更大的电池,其电压范围在4.3V至4.4V之间。典型的棱柱形锂离子(Li+)和锂聚合物(Li-Poly)电池容量为600mAh至1400mAh。
对Li+和Li-Poly电池来说,首选的充电曲线是从恒流充电开始,一直持续到电池电压达到额定电压。然后,充电器对电池两端的电压进行调 节。这两种调节方式构成了恒流(CC)恒压(CV)充电方式。因此,这种类型的充电器通常称为CCCV充电器。CCCV充电器进入CV模式后,电池的充电 电流开始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充电速率充电,则当电池达到其充满容量的80%至90%时,充电器由CC模式转换为CV模式。充电器一旦进 入CV充电模式,则对电池电流进行监视;当电流达到最低门限(几毫安或者几十毫安)时,充电器终止充电。锂电池的典型充电曲线如图2所示。
图2. 使用CCCV充电器对Li+电池充电时的典型曲线
插件电感器从图1所示的USB电压跌落指共模电感标可以看出,端口供电集线器的下游低功率端口电压不具备足够的余量,很难将电池充至4.2V。充电通路上存在的小量额外电阻会妨碍正常充电。
Li+和Li-Poly电池应在合适的温度下进行充电。制造商推荐的最高充电温度通常为+45°C至+55°C之间,允许的最 大放电温度可再高出10°C左右。这些电池使用的材料,化学性质非常活泼,如果电池温度超过+70°C,会发生燃烧。锂电池充电器应具备 热关断电路,该电路监视电池温度,如果电池温度超过制造商推荐的最大充电温度时,则终止充电。
镍氢电池(NiMH)
NiMH电池比锂电池要重一些,其能量密度也比锂电池低。一直以来,NiMH电池比锂电池要便宜,但是最近二者的价格差在缩小。NiMH电池具有标准尺寸,在大多数应用中可直接替换碱性电池。每节电池的标称电压为1.2V,充满后会达到1.5V。
通常采用恒流源对NiMH电池充电。当达到充满状态时,会发生放热化学反应,并导致电池温度上升,电池端电压降低。可检测电池温度上升速率或者 负向电压变化率,并用来终止充电。这些充电终止方法分别称为dT/dt和-ΔV。充电速率非常低时,dT/dt和-ΔV不太明 显,很难精确检测到。电池开始进入过充状态时,dT/dt和-ΔV响应开始显现。此时如果继续充电,将损坏电池。
终止检测在充电速率大于C/3时要比低充电速率时容易得多。温度上升速率大约为1°C/分钟,-ΔV响应也比低充电速率时 更明显。快充结电感器识别束后,建议以更小的电流再充一段时间,以彻底充足电池(补足充电)。补足充电阶段结束后,采用C/20或者C/30的涓充电流来补偿自放电 效应,使电池维持在充满状态。图3所示为采用DS2712 NiMH充电器对NiMH电池(事先已充了一部分电)进行充电的电池电压曲线。在该图中,上面一条曲线的数据在充电电流正在灌入电池时获得,下面那条曲线 的数据在切断电流时测得。在DS2712中,该电压差被用来区分NiMH电池和碱性电池。如果检测到碱性电池,则DS2712不会对它进行充电大电流电感。
图3. 采用DS2712充电控制器对NiMH电池充电。
开关与线性
USB 2.0规范允许低功率端口提供最大100mA电流,大功率端口提供最大500mA电流。如果采用线性调整器件来调节电池充电电流,这也就是最大可提供的充电电流。线性调整器件(图4)的功耗为P = VQ x IBATT。这会造成调整管发热,可能需要安装散热器,以防止过热。
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