LTC4011獨立式鎳化學快速充電器可提供安全的快速充電

LTC4011 是一款完整的獨立式鎳化學快速充電器，即使在一個遠低于 DC 輸入電源的電池電壓下，也能在高達 34V 的輸入電壓下高效運作。采用5.5V和20V輸入電源時的典型效率如圖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。其多級安全功能提供可靠的故障保護，并且易于配置。LTC4011 無需任何主機微控制器單元 （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。

準確、堅如磐石的快速充電終止

LTC4011 實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（對于 NiMH 電池）和 C/3 至 C 或更高的充電速率（對于 NiCd 電池）。這意味著完全放電的電池可以在一小時或更短的時間內(nèi)充電到 100% 容量。這些較高速率下的可靠充電終止由針對所選鎳化學成分量身定制的經(jīng)過驗證的電壓和溫度檢測技術(shù)控制，以確保最短的充電時間，而不會降低充電循環(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?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 1 至 16 節(jié)串聯(lián)鎳電池充電。每節(jié)電池僅 10mV 至 20mV 的負增量表示電池已充滿電。五世細胞電壓還被監(jiān)控，作為基本電池健康狀況的衡量標準，并檢測災難性故障情況，如下所述。

監(jiān)測電池溫度的 ΔT/Δt

LTC4011 還可利用一個負溫度系數(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無源濾波器來消除PWM開關(guān)噪聲。V上的電壓臨時然后，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)使用板載實時時鐘來監(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。對于所有化學反應(yīng)，LTC4011 上的溫度處理是可選的。簡單地綁 V臨時到 V室溫禁用所有基于溫度的充電鑒定和終止。

圖4.1C時的典型NiMH充電周期。

化學特定電池分析

LTC4011 應(yīng)用的基本充電算法針對所選電池化學成分進行了修改。將 CHEM 引腳接地可選擇 NiMH 充電參數(shù)，同時保持 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，但這些化學物質(zhì)確實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。較舊的鎳鎘化學受益于輕微的過度充電。在為 NiCd 電池充電時，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% 容量時實現(xiàn) ΔT/Δt 端接。為了避免長時間處于非活動狀態(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行而改變ΔT/Δt限值。然后，–ΔV限值用作次級端接（安全），IC在快速充電終止后施加定時浮充，以實現(xiàn)100%容量，如圖4所示。顯然，雖然是可選的，但強烈建議對NiMH電池使用熱敏電阻輸入。

除了這些特定于化學成分的措施外，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)。如果電池組最初嚴重放電，IC會在固定的時間段內(nèi)施加較小的調(diào)節(jié)電流，以將電池恢復到合適的快速充電接受點。如果電池組最初被放電，則 LTC4011 將應(yīng)用一個 –ΔV 終止延遲期，以允許內(nèi)部化學反應(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 檢測始終處于活動狀態(tài)。

自動充電使電池隨時可用

鎳電池具有高達每天3%的高自放電率。一旦一個充電周期完成，只要連接了一個輸入電源，LTC4011 就會繼續(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，則啟動刷新快速充電周期以使存儲的能量水平恢復到100%。充電周期的持續(xù)時間通常只有幾分鐘。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還對充電期間的電池電壓進行了配置，以確保正確的充電接受，在預充電和快速充電開始時檢查開路電壓，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 包含一個安全定時器，用于限制任何單次充電可以持續(xù)的時間長度。該定時器可通過連接在定時器和GND之間的外部電阻器輕松編程，公式為R。定時器（Ω） = t.MAX（小時）/30μs.

時間可以決定一切

LTC4011 通過推斷設(shè)定的時間限制、編程充電電流和被充電電池的容量之間的關(guān)系，將安全定時器的編程用于各種目的。它假設(shè)此計時器的周期設(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%時間意義/100mV.上面討論的安全檢查點以及浮充持續(xù)時間由安全計時器的中間間隔確定。表 1 顯示了 R 的合適值定時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)路補償，充電電流由連接在 SENSE 和 BAT 引腳之間的單個電阻器設(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進度.

LTC4011 PWM 采用一種獨特的浮動 LV 差分架構(gòu)，以提供 5% 的電流準確度和低周期至周期抖動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)斷時間架構(gòu)消除了對繁瑣斜率補償?shù)男枨?，并允許在寬 V 范圍內(nèi)完全連續(xù)運行在/V外范圍不會產(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載電流，電池的串聯(lián)電阻很容易導致過早終止。

LTC4011 為位于直流輸入 （DCIN） 和主機的非穩(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 能夠為該調(diào)整器件提供高達 6V 的柵極驅(qū)動。選擇R足夠低的輸入FETDS（ON）在此柵極驅(qū)動電平下，全充電電流和全應(yīng)用負載電流的組合不會導致過大的功耗。

如圖4所示，BAT和V之間的PFET是抄送然后用于自動斷開電池與系統(tǒng)負載的連接，只要存在直流輸入。如果從電池運行應(yīng)用時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 3μA 的典型停機電源電流，當 DC 輸入電源被移除時，從 SENSE/BAT 引腳組合吸收的電流通常遠低于 1μA。此外，VCDIV引腳提供了一種斷開 V 的方法細胞關(guān)斷狀態(tài)下的電阻分壓器，在無法充電時消除該電路消耗的電流。當與直流電源斷開連接時，這些特性極大地減少了充電器施加到電池上的負載，從而增加了電池在便攜式應(yīng)用中的可用運行時間。

結(jié)論

LTC?4011 是一款鎳化學充電器，其集成了一個完整的高電壓 PWM 控制器，因而使其能夠從一個 34V 輸入高效地為電池充電，而無需額外的電流源控制 IC。真正的獨立操作和靈活的控制大大簡化了充電器設(shè)計。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實的安全功能為后盾，使得 LTC4011 成為各種快速充電實施的絕佳選擇，從而為可再充電鎳電池提供了較長的使用壽命。

shenhbj:gt