電池充電新方法――USB

　　2.4 電路實例

　　圖7所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過+45°C或者低于0°C，控制器不會對電池充電。

圖7. USB端口對單節(jié)NiMH電池快速充電的原理圖

　　如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為10?F、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會使充電器的性能降低。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準(zhǔn)電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過CSOUT提供閉環(huán)、開關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時，使能Q1的柵極驅(qū)動。Q1和Q2均為低Vt （柵-源門限電壓）的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構(gòu)成了Q1的柵極開關(guān)電壓。CC1為低電平時，啟動電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動開關(guān)時的波形。上方波形是0.125Ω （檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開始時，當(dāng)Q1打開（CC1和CSOUT均為低電平）時，電感電流向上爬升。當(dāng)電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達(dá)到0.125V時，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達(dá)到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖?。只要CC1為低電平，該過程將一直持續(xù)。

圖8. USB NiMH充電器的啟動波形

　　DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制著CC1的工作。充電開始時，DS2712先對電池進(jìn)行狀態(tài)測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認(rèn)溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過1.0V后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為快充模式?？斐鋾r占空比為31/32，即大約97%。“跳過”的間隙內(nèi)進(jìn)行電池阻抗測試，以確保不會對錯誤放入充電器的高阻抗電池（例如堿性電池）進(jìn)行充電。檢測到-2mV的-ΔV后，快充結(jié)束。如果未檢測到-ΔV，將持續(xù)快充，直到快充定時器超時，或檢測到過溫或者過壓故障狀態(tài)（包括阻抗不合格）為止?？斐渫瓿桑ㄓ捎?ΔV或快充定時器超時） 后，DS2712進(jìn)入定時補(bǔ)足充電模式，占空比為12.5%，持續(xù)時間為所設(shè)快充定時的一半。補(bǔ)足充電完成后，充電器進(jìn)入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

　　采用圖7所示充電器和大功率USB端口對2100mAh NiMH電池充電時，快充時間為2小時多一點，大約3個小時完成包括補(bǔ)足充電在內(nèi)的全部充電過程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機(jī)進(jìn)行枚舉過程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個開漏極nMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，則TMR浮空，DS2712進(jìn)入掛起狀態(tài)。

　　3 總結(jié)

　　對于小型消費(fèi)類電子設(shè)備的電池充電而言，USB端口是一個經(jīng)濟(jì)、實用的電源。為完全符合USB 2.0規(guī)范，連接在USB端口上的負(fù)載必須能夠與主機(jī)進(jìn)行雙向通信。負(fù)載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機(jī)確定何時需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統(tǒng)能夠適應(yīng)大部分USB主機(jī)，但有時會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。只有很好地理解USB規(guī)范要求和負(fù)載的期望，才能在對于規(guī)范的兼容性與負(fù)載復(fù)雜度之間取得較好的平衡。