LTC4011獨(dú)立式鎳化學(xué)快速充電器可提供安全的快速充電

LTC4011 是一款完整的獨(dú)立式鎳化學(xué)快速充電器，即使在一個(gè)遠(yuǎn)低于 DC 輸入電源的電池電壓下，也能在高達(dá) 34V 的輸入電壓下高效運(yùn)作。采用5.5V和20V輸入電源時(shí)的典型效率如圖1所示。假設(shè)容差為 4%，25.5V 的欠壓鎖定可確保在輸入低至 10V 時(shí)穩(wěn)定工作。該 IC 提供全系列的充電控制功能，只需極少的外部元件即可輕松編程。其多級(jí)安全功能提供可靠的故障保護(hù)，并且易于配置。LTC4011 無需任何主機(jī)微控制器單元 （MCU） 支持即可工作，并且不需要固件軟件。

圖1.LTC4011 的充電效率具有 2A 輸出電流。

準(zhǔn)確、堅(jiān)如磐石的快速充電終止

LTC4011 實(shí)施了一種完整的快速充電控制算法，最適合于 C/2 至 2C 的充電速率（對(duì)于 NiMH 電池）和 C/3 至 C 或更高的充電速率（對(duì)于 NiCd 電池）。這意味著完全放電的電池可以在一小時(shí)或更短的時(shí)間內(nèi)充電到 100% 容量。這些較高速率下的可靠充電終止由針對(duì)所選鎳化學(xué)成分量身定制的經(jīng)過驗(yàn)證的電壓和溫度檢測技術(shù)控制，以確保最短的充電時(shí)間，而不會(huì)降低充電循環(huán)壽命。各種內(nèi)部和外部濾波器（模擬和數(shù)字）消除了電壓和溫度數(shù)據(jù)通道中的雜散噪聲，用于確定一般電池健康狀況和適當(dāng)?shù)某潆娊K止。

監(jiān)控 –ΔV 的電池電壓

LTC4011 采用的主要快速充電終止技術(shù)涉及檢測電池峰值電壓，然后檢測該終端電位的充分下降 （–ΔV 檢測）。圖2所示的典型NiCd充電周期由–ΔV端接。

圖2.1C 鎳鎘充電周期。

為了支持各種電池組配置，IC檢測電池組的平均電池電壓。正極電池端子和V之間的簡單阻性分壓器CDIV引腳以及一些消除殘余PWM開關(guān)噪聲的電容是向V提供該平均電池電壓所需的全部細(xì)胞輸入引腳。該技術(shù)與 5V 至 34V 輸入工作范圍相結(jié)合，允許對(duì) 1 至 16 節(jié)串聯(lián)鎳電池充電。每節(jié)電池僅 10mV 至 20mV 的負(fù)增量表示電池已充滿電。五世細(xì)胞電壓還被監(jiān)控，作為基本電池健康狀況的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并檢測災(zāi)難性故障情況，如下所述。

監(jiān)測電池溫度的 ΔT/Δt

LTC4011 還可利用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻提供的信息來處理電池溫度。熱敏電阻應(yīng)與最靠近電池組質(zhì)心的電池外殼保持良好的熱接觸。然后將該熱敏電阻包含在V之間的分壓器網(wǎng)絡(luò)中室溫引腳和地，如圖3所示，為V提供線性化輸入臨時(shí)針。這種配置足夠靈活，可以支持非常廣泛的NTC熱敏電阻類型。

圖3.具有完全電源路徑控制的 3A 鎳氫充電器。

建議使用外部模擬單極點(diǎn)無源濾波器來消除PWM開關(guān)噪聲。V上的電壓臨時(shí)然后，LTC4011 使用引腳，根據(jù)可接受的范圍（大約 0°C 至 45°C）鑒定充電過程。 此外，內(nèi)部數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)使用板載實(shí)時(shí)時(shí)鐘來監(jiān)控快速充電期間電池的溫度升高速率（ΔT/Δt）。1°C/min 和 2°/min 之間的值通常表示鎳電池充滿電。

圖4顯示了1C速率下的NiMH充電周期，充電周期的快速充電部分終止于ΔT/Δt。對(duì)于所有化學(xué)反應(yīng)，LTC4011 上的溫度處理是可選的。簡單地綁 V臨時(shí)到 V室溫禁用所有基于溫度的充電鑒定和終止。

圖4.1C時(shí)的典型NiMH充電周期。

化學(xué)特定電池分析

LTC4011 應(yīng)用的基本充電算法針對(duì)所選電池化學(xué)成分進(jìn)行了修改。將 CHEM 引腳接地可選擇 NiMH 充電參數(shù)，同時(shí)保持 CHEM 引腳開路或?qū)⑵溥B接到 V室溫選擇鎳鎘充電參數(shù)。雖然相似，但這些化學(xué)物質(zhì)確實(shí)需要略有不同的快速充電終止，以確保最長的充電循環(huán)壽命。較舊的鎳鎘化學(xué)受益于輕微的過度充電。在為 NiCd 電池充電時(shí)，LTC4011 使用的閾值電平有利于 –ΔV 端接，從而產(chǎn)生略高于電池組額定容量 （100%） 的最終充電。在這種情況下，ΔT/Δt 端接（如果啟用）可用作輔助端接技術(shù)，以提高安全性。如圖 2 的示例所示。

較新的鎳氫電池通常設(shè)計(jì)為接受比其較舊的鎳鎘表親更高的充電速率，但制造商經(jīng)常警告不要過度充電。因此，對(duì)于 NiMH 電池，LTC4011 選擇的內(nèi)部門限有利于在電池組充電至約 95% 容量時(shí)實(shí)現(xiàn) ΔT/Δt 端接。為了避免長時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)的高放電電池發(fā)生假端接，IC可以隨著快速充電周期的進(jìn)行而改變?chǔ)/Δt限值。然后，–ΔV限值用作次級(jí)端接（安全），IC在快速充電終止后施加定時(shí)浮充，以實(shí)現(xiàn)100%容量，如圖4所示。顯然，雖然是可選的，但強(qiáng)烈建議對(duì)NiMH電池使用熱敏電阻輸入。

除了這些特定于化學(xué)成分的措施外，LTC4011 還應(yīng)用了一些通用的充電曲線技術(shù)。在新的充電周期開始時(shí)測量電池開路電壓，以確定附加電池組的充電狀態(tài)。如果電池組最初嚴(yán)重放電，IC會(huì)在固定的時(shí)間段內(nèi)施加較小的調(diào)節(jié)電流，以將電池恢復(fù)到合適的快速充電接受點(diǎn)。如果電池組最初被放電，則 LTC4011 將應(yīng)用一個(gè) –ΔV 終止延遲期，以允許內(nèi)部化學(xué)反應(yīng) — 從而在施加全充電電流后穩(wěn)定下來。這樣可以避免過早終止。但是，如果電池組已經(jīng)適度充電，則初始端電壓表現(xiàn)良好，并且立即開始–ΔV處理，以避免電池意外過度充電。如果啟用，ΔT/Δt 檢測始終處于活動(dòng)狀態(tài)。

自動(dòng)充電使電池隨時(shí)可用

鎳電池具有高達(dá)每天3%的高自放電率。一旦一個(gè)充電周期完成，只要連接了一個(gè)輸入電源，LTC4011 就會(huì)繼續(xù)監(jiān)視電池的開路端電壓。如果電池電壓指示損失超過約15%的容量，則啟動(dòng)刷新快速充電周期以使存儲(chǔ)的能量水平恢復(fù)到100%。充電周期的持續(xù)時(shí)間通常只有幾分鐘。這種技術(shù)取代了更傳統(tǒng)的連續(xù)涓流充電方法。涓流充電使電池處于恒定的過充電狀態(tài)，這會(huì)降低某些 NiMH 電池的循環(huán)壽命，產(chǎn)生連續(xù)熱量，并且效率略低于 LTC4011 自動(dòng)再充電方法。

多種安全功能

LTC4011 內(nèi)置了許多安全功能。它監(jiān)控所有充電階段的重要電壓和溫度參數(shù)。

如果VTEMP輸入已啟用，則要求感應(yīng)溫度在0°C和45°C之間，或者暫停充電?？焖俪潆婇_始后，允許電池溫度升至60°C。然而，如果超過此限值，則在恢復(fù)充電之前，感應(yīng)溫度必須降至45°C以下。LTC4011還跟蹤其自身的芯片溫度，如果溫度上升到可接受的極限以上，則禁用充電。

在VCC和BAT引腳之間建立了操作PWM所需的電壓凈空（約500mV）之前，不允許開始充電。蓄電池電壓也會(huì)持續(xù)監(jiān)測是否存在過電壓。如果VCELL上的平均電池電壓超過1.95V，則充電將被禁用，并顯示故障。LTC4011還對(duì)充電期間的電池電壓進(jìn)行了配置，以確保正確的充電接受，在預(yù)充電和快速充電開始時(shí)檢查開路電壓，以及在完成約20%的快速充電周期后檢查電路內(nèi)電壓。

最后，LTC4011 包含一個(gè)安全定時(shí)器，用于限制任何單次充電可以持續(xù)的時(shí)間長度。該定時(shí)器可通過連接在定時(shí)器和GND之間的外部電阻器輕松編程，公式為R。定時(shí)器（Ω） = t.MAX（小時(shí)）/30μs.

時(shí)間可以決定一切

LTC4011 通過推斷設(shè)定的時(shí)間限制、編程充電電流和被充電電池的容量之間的關(guān)系，將安全定時(shí)器的編程用于各種目的。它假設(shè)此計(jì)時(shí)器的周期設(shè)置為在R的編程電流下向完全放電的電池提供150%充電通常需要的100%時(shí)間意義/100mV.上面討論的安全檢查點(diǎn)以及浮充持續(xù)時(shí)間由安全計(jì)時(shí)器的中間間隔確定。表 1 顯示了 R 的合適值定時(shí)器用于一系列編程的快速充電速率。

更小的 PWM 解決方案

LTC4011 還集成了一個(gè)完整的 PWM 控制器。其降壓穩(wěn)壓器采用同步偽恒定關(guān)斷時(shí)間架構(gòu)和高側(cè)PFET電源開關(guān)。這種選擇產(chǎn)生的PWM非常容易配置，只需最少數(shù)量的外部元件。只需連接外部PFET電源開關(guān)、可選的NFET同步二極管、肖特基箝位和扼流圈，如圖3所示。無需外部環(huán)路補(bǔ)償，充電電流由連接在 SENSE 和 BAT 引腳之間的單個(gè)電阻器設(shè)置。該電阻在電感輸出和電池之間串聯(lián)，其值由公式R確定意義= 100mV/I進(jìn)度.

LTC4011 PWM 采用一種獨(dú)特的浮動(dòng) LV 差分架構(gòu)，以提供 5% 的電流準(zhǔn)確度和低周期至周期抖動(dòng)以及高電感器紋波電流。這反過來又允許使用節(jié)省空間的磁性元件和更小的輸出濾波電容器。偽恒定關(guān)斷時(shí)間架構(gòu)消除了對(duì)繁瑣斜率補(bǔ)償?shù)男枨螅⒃试S在寬 V 范圍內(nèi)完全連續(xù)運(yùn)行在/V外范圍不會(huì)產(chǎn)生可聞噪聲，即使使用陶瓷電容器也是如此。典型工作頻率為 550KHz。采用 4011A PWM 實(shí)施方案的 LTC2 示例如圖 5 所示。

圖5.鎳鎘/鎳氫充電器布局。

電源路徑控制

電源路徑?控制是鎳電池充電時(shí)正確端接的重要組成部分。由于檢測到–ΔV端接的差異非常小，如果在充電過程中從電池中汲取不同的負(fù)載電流，電池的串聯(lián)電阻很容易導(dǎo)致過早終止。

LTC4011 為位于直流輸入 （DCIN） 和主機(jī)的非穩(wěn)壓系統(tǒng)電源之間的輸入 PFET 晶體管提供了集成的 PowerPath 支持 （V抄送).然后，該FET充當(dāng)理想的整流器，具有低至50mV的穩(wěn)壓正向壓降，與傳統(tǒng)的阻塞二極管相比，需要更少的工作裕量，并且能夠產(chǎn)生更少的熱量。LTC4011 能夠?yàn)樵撜{(diào)整器件提供高達(dá) 6V 的柵極驅(qū)動(dòng)。選擇R足夠低的輸入FETDS（ON）在此柵極驅(qū)動(dòng)電平下，全充電電流和全應(yīng)用負(fù)載電流的組合不會(huì)導(dǎo)致過大的功耗。

如圖4所示，BAT和V之間的PFET是抄送然后用于自動(dòng)斷開電池與系統(tǒng)負(fù)載的連接，只要存在直流輸入。如果從電池運(yùn)行應(yīng)用時(shí)可以容忍額外的壓降，則可以使用肖特基二極管代替該MOSFET。

微功耗特性支持延長電池使用

LTC4011 具有一個(gè) 3μA 的典型停機(jī)電源電流，當(dāng) DC 輸入電源被移除時(shí)，從 SENSE/BAT 引腳組合吸收的電流通常遠(yuǎn)低于 1μA。此外，VCDIV引腳提供了一種斷開 V 的方法細(xì)胞關(guān)斷狀態(tài)下的電阻分壓器，在無法充電時(shí)消除該電路消耗的電流。當(dāng)與直流電源斷開連接時(shí)，這些特性極大地減少了充電器施加到電池上的負(fù)載，從而增加了電池在便攜式應(yīng)用中的可用運(yùn)行時(shí)間。

結(jié)論

LTC?4011 是一款鎳化學(xué)充電器，其集成了一個(gè)完整的高電壓 PWM 控制器，因而使其能夠從一個(gè) 34V 輸入高效地為電池充電，而無需額外的電流源控制 IC。真正的獨(dú)立操作和靈活的控制大大簡化了充電器設(shè)計(jì)。PWM 工作在高頻下，因此可以使用表面貼裝元件以節(jié)省空間?？煽?、穩(wěn)健的充電終止算法以堅(jiān)實(shí)的安全功能為后盾，使得 LTC4011 成為各種快速充電實(shí)施的絕佳選擇，從而為可再充電鎳電池提供了較長的使用壽命。

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