對于手機、數碼相機（DSC）、音樂播放器等便攜設備中常見的單節鋰離子電池等而言，充電一直是一個頗有挑戰性的問題，因為既要滿足特定應用要求，又要確保安全和無故障的充電操作。本文將討論怎樣將安森美半導體的恒流穩流器（CCR）用于可充電電池的低成本充電電路，為其提供了終止充電的簡單控制器。電池種類及充電技術選擇三種最常見的充電電池分別是鎳金屬氫化物（NiMH）、鎳鎘（NiCad）和鋰離子（Li-ion）。電池充電速率用字母“C”表示。“C”定義了1.0小時的電池容量。例如，一個額定值為800mAh（毫安時）的電池可以用0.5C充電，因而使電池完全充電需要以400mA充電電流充電超過2個小時。圖1是充電電路的基本框圖。

圖1：充電電路基本框圖1）鎳氫和鎳鎘電池鎳氫電池的額定電壓為1.2V/節，應該用高達1.5-1.6V/節的電壓充電。要決定何時中斷充電有幾種不同技術可以采用，其中包括：峰值電壓檢測、負Δ電壓、Δ溫度（dT/dt）、溫度閾值和定時器。對于高端充電器這些技術都有可能組合用在一個充電器當中。CCR充電器是一個峰值電壓檢測電路，可在預定峰值終止充電，為上述電池的充電提供了一個合適的解決方案。其預定峰值電壓為1.5V/節，可將電池充電至約97%的程度。鎳鎘電池可以使用該電路充電。其表現與鎳氫電池非常相似，所以這種方法很合適。2）鋰離子電池對鋰離子電池而言，常用的充電方法是在0.5C到1C條件下通過涓流充電將電池充電至4.2V/節。在充電過程中，鋰離子電池的溫升應保持在低于5℃，較高的溫升表明可能會引發自燃。涓充部分的充電周期電池溫升最大，最有可能自燃。由于這個問題，高端充電可使用智能IC（如安森美半導體的NCp1835B）來監視和控制鋰離子電池的充電過程。恒流穩流器（CCR）充電電路設計本文討論的CCR控制器沒有使用涓流充電，因此消除了可能自燃的問題，讓電池處在一個安全工作區有助于提高電池的使用壽命。不過，不使用涓流充電，電池將只能充電到約85%的程度。1）設置參考電壓利用三端可編程分流穩壓器TL431可以設置參考電壓。它可在其參考引腳提供一個恒定的2.5V輸出。當如圖2所示連接兩個外部電阻時，參考電壓可以選為2.5V至36V.出于我們的目的，我們將R2設置為1.0kΩ，并將Rref調整到我們想要匹配的參考電壓。用來得出R2/Rref比率的公式是：

圖2：參考電壓的設置2）遲滯環路比較器LM311是一個單比較器，用來比較參考電壓與電池電壓。連接到反相輸入端的是電池電壓。遲滯是由輸出和非反相輸入端之間的反饋電阻（Rh）提供的。R3是一個1.0kΩ的電阻，用來簡化R3/Rh的比例。通過調整Rh可以改變遲滯環的帶寬。增加Rh可以減少帶寬，反之亦然。建議遲滯的帶寬大于200mV，因為在充電終止時，電池的電壓會略微下降一些。高電壓與低電壓的反相輸入公式是：

圖3：遲滯設置

圖4：充電電路原理圖3）電流開關電路中的兩個雙極結型晶體管（BJT）（Q3和Q6）作為控制充電電流的開關。Q6的基極是通過一個5.6kΩ電阻（R6）由比較器的輸出控制的。Q6的集電極通過一個1.0kΩ電阻（R5）連接到Q3的基極。當比較器的輸出變為低電平時，Q6被關閉，導致Q3關閉而終止充電電流。4）穩流電池的充電電流采用一個CCR來控制。電流可以通過一個可調節CCR和/或并聯CCR來調整。這個演示板是專門為兩個并聯CCR（Q4和Q5）設計的（可以并聯連接兩個以上的CCR，以便能夠達到你想要的任何電流）。對于本文討論的實驗，CCR（NSI45090JDT4G）可以在90mA至160mA范圍內調整。三個用于數據分析的電流分別是90、180和300mA.5）指示器LED為了表明電池正在充電，組合使用了一顆CCR、Q7及一個LED.CCR為LED提供個恒流。在沒有電池連接到充電器時，LED也將“導通”。當LED“關閉”時，表明電池已完全充電。6）設置不同的測試電流表1顯示了決定充電電流的可變元件值和充電終止電壓。同時在180mA測試兩個NSI45090JDT4GCCR被用來給出一個Radj=10的90mA的電流輸出。7）測試結果CCR充電電路是通過在90mA、180mA和300mA對鋰離子電池和鎳氫電池充電進行測試的。表2是正在充電的電池監測到的關鍵電壓。表3顯示了電路終止電池充電后相同的關鍵電壓。在測試過程中，電池的溫度開始迅速升高（見表4），測試結束之前，電池電壓達到參考電壓。表4包含了電池的溫度數據。在所有情況下，環境溫度約為25℃。對于鋰離子電池而言，可以得出這樣的結論，充電電流越大，電池溫升就越高。在0.1C充電時，鎳氫電池的情況相同。重要的是要記住，在何時選擇使用多大的充電速率。

充電電流、功耗及電池電壓1）隨時間變化的充電電流使用恒流穩流器充電電流可保持不變，直到充電終止，如圖5所示。

圖5：隨時間變化的充電電流

2）BJT和二極管的功耗如今，人們都非常關心電路的功耗。降低輸入電壓是一種方式，為的是提高電路性能。這是使用低VCE（sat）晶體管的原因之一。如表1所示，晶體管的VCE非常低。圖6也描述了隨著時間推移pNp晶體管所消耗的功率。正如人們所期望的，在充電電流增加時耗散功率（pD）也增加了。然而，在約300mA的充電電流下，晶體管消耗的功率小于15mW.除了使用低VCE（sat）的BJT，還可使用一個DSN2封裝的低正向壓降（VF）肖特基二極管來降低功耗。該二極管用于反向電流保護。選擇安森美半導體的NSR10F40NXT5G的原因是它有市場上最低的VF.在最高充電電流下測得的二極管消耗功率大約為95mW.圖7顯示了電池正在充電時DSN2低VF肖特基勢壘二極管的功耗。使用低VCE（sat）BJT和低VF肖特基二極管輸入電壓可降至盡可能最低。

圖7：隨時間變化的二極管耗散功率3）CCR的功耗功耗是使用CCR時一個非常重要的參數。它是使所有電壓下降以確保恒流電池充電的器件。當器件開始升溫時，電流開始下降。為了盡量減少CCR溫升，板上大部分空位放置了銅箔。然后CCR的陰極被連接到該區域的銅箔作為散熱片。當使用多個并聯CCR時，要牢記各CCR的功耗只是CCR獨立電流乘以電壓的值，而不是總充電電流值。圖8顯示了隨時間推移的CCR消耗的功率。當使用多個CCR獲取更高充電電流時，只顯示了一個CCR數據。

圖8：隨時間變化的CCR的耗散功率4）隨時間推移的電池電壓圖9描述了所有六個測試用例的電池電壓。對于鋰離子電池電壓，人們期望看到當電壓達到4.2V時電壓開始變平。在比較先進的電路中，這將適用于涓流充電。然而，如上所述該電路設計為的是在預定電壓下停止充電，本例中為4.15V.

圖9：隨時間變化的電池電壓結論綜上所述，恒流穩流器也就是CCR可以提供電池充電用的恒流。此外，當用CCR實現上面討論的控制器時，有可能用相同的電路以不同的電流為不同的化學電池充電。這樣，既可以滿足特定應用要求，又能確保安全和無故障的充電操作。