以下本文将针对镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）与锂离子（Li-Ion）可充电电池来讨论它们的特性，并解释如何在不需要使用微控器的情况下安全快速地进行镍氢与锂离子电池的充电。

《图一　记忆效应与惰性效应的比较》

《图二　这些曲线显示了进行镍氢电池充电时的典型电压(a)与温度(b)变化情形》

可充电电池的形式

1980年代中期的便携式设备，例如DECT无线电话、随身听以及电动刮胡刀等绝大部分都采用镍镉电池来提供电源，稍后镍氢与锂离子电池被开发出来并逐渐广泛受到使用，一直到1990年代末期，请参考(表一)。

镍镉电池由于比镍氢以及锂离子电池便宜，因此在低价应用上特别普及，镍镉电池提供了最大的放电电流，因此大多使用在短暂时间内需要较大功率的应用上。

另一方面，镍镉电池早期则深受会影响电池容量记忆效应（memory effect）的困扰，不过目前这个问题已经获得解决，如果镍镉电池在没有完全放电的情况下重新充电，那么部分位于阳极镉端可能厚达100μm的活性物质会因未被使用而开始结晶，因此造成本身不再参与化学反应，全新电池阳极的镉结晶厚度大约为1μm。

所产生的电池记忆效应会带来容量与终端电压更低的电池电源输出，造成镍镉电池会比预期时间更早达到最低可用终端电压，也就是电池的终止点，请参考(图一)。另一个镍镉电池的缺点则是活性材料中所添加的镉，因此欧盟法规2000/53/EG就规定从2005年12月31日起禁止贩售镍镉可充电电池。

镍氢电池比起镍镉电池虽然更加环保，但成本却较高，虽然放电电流较小，但同样受到惰性效应（lazy effect），也就是镍镉电池中记忆效应的较微弱版本影响，惰性效应也会因结晶化而发生，但只发生在镍而不是镉的部分，惰性效应与记忆效应都会造成可充电电池的容量无法被全部使用，不过这两者目前都可以透过使用具备放电功能的充电器来加以消除或避免。

锂离子可充电电池虽然价格更高，但却拥有大上许多的容量密度，因此在同一体积下可以提供更多的能量，这使得它们特别适合小型化与高度便携式应用。

镍氢可充电电池的独立型快充充电器

就算是喜欢锂离子电池的人，都无法否认镍氢电池由于在成本上要比锂离子电池低上许多，同时提供有MP3播放器、附加闪光灯以及脚踏车灯等所常采用的标准AA与AAA尺寸，因此较为受到欢迎。

镍氢可充电电池的温度与终端电压会随着电池的充电而持续上升，接着在完全充饱时下滑，请参考(图二)。因此镍氢电池充电器的主要工作就是找出这个反折点并中断充电动作，或由快充转换为涓滴充电（trickle charge），此外也会在充电过程中加入温度与电压的独立监测电路来加强安全性。

DS2711/DS2712系列充电控制器除了拥有这些功能外还能够独立运作，因此不需微控器或微处理器的监控，这些产品在设计上可以用来进行单颗或者以串联或并联方式安排的标准一对AA或AAA电池充电，DS2711以线性控制的方式运作，DS2712则采用切换式控制。为了延长运作寿命并避免电池受到伤害，这些充电控制器拥有四种充电模式，分别为预充、快充、慢充以及涓滴充电，以慢充模式来说，充电速率会在电池充饱后立即切换到更低的速率，例如在DS2711上为25％。

除了以上所提到的监测功能外，DS2711/DS2712充电控制器也内建有可以透过连结TMR接脚的一个外部电阻来设定最长充电时间的计时器，例如快充模式为0.5到10个小时，慢充时间则为所设定最长充电时间的一半，大约为0.25到5个小时，依所需充电时间来计算电阻值的公式为：

R = 1000 Approx/1.5

如果在快充模式下超过最长充电时间，那么充电控制器会由快充切换到慢充并将计时器归零，接着计时器开始计数慢充时间，在时间到达后，充电控制器便会由慢充模式切换到涓滴充电模式，请参考(图三)。

VP1与VP2连接点可以用来监测电压，THM1与THM2搭配上热敏电阻则可以用来监测每个可充电电池充电时的温度，TMR计时器与RSNS感测器电阻接脚可以用来设定充电时间与充电功率，DS2711/DS2712的另一个功能是可以侦测目前进行充电的充电电池是否有问题，或者是不小心在充电器上安装了碱性电池而非可充电电池，如果发生这样的情况，充电器便会自动停止运作。

《图三　在这个标准应用电路中，DS2711电池充电控制晶片可以对两颗串联的镍氢电池进行充电》

如何侦测碱性电池？

全新镍氢可充电AA电池的标准内部电阻大约在30mΩ到100mΩ之间，碱性电池则通常在200mΩ到300mΩ，甚至可能会达到700mΩ，依充电状态而定，错误的可充电电池则拥有高上许多的内部电阻，因此DS2711/DS2712充电控制器可以每隔30ms透过所测得的电池电压VP1与VP2以及测定的充电功率计算出电池的内部电阻值。

用来做为电池测试以及临界点设定的CTST接脚，可以测量用来计算可充电电池内部电阻值的电压大小VCTST，VCTST是充电电流（0.7A）以及非镍氢电池150mΩ内部电阻临界点的乘积，设计人员也应该在过程中监测电源的电阻，通常为2mΩ，计算外部RCTST电阻大小的公式为：

RCT ST8000 [V2/A]/VST

其中VTST = IChargeR

因此

RCT ST = 8000 [V2/A]/(0.7A × (0.150Ω + 0.2Ω)) = 75kΩ

0.106V，那麼就代表了電池的內部電阻高於0.152Ω，這時晶片會觸發一個邏輯或光學錯誤訊息輸出並停止充電程序，請參考(圖四)。"如果超过VCTST的大小，在此为 0.106V，那么就代表了电池的内部电阻高于0.152Ω，这时晶片会触发一个逻辑或光学错误讯息输出并停止充电程序，请参考(图四)。

《图四　这个流程图描述了图三中晶片所采用的充电程序》

锂离子可充电电池的独立型快充充电器

对锂离子可充电电池进行充电要比镍氢电池更加简单，原因是并不需要监测电压变化的速率（dV/dt），同时由于锂离子可充电电池对过高的电压相当敏感，因此充电过程中需要精确的4.2V ± 50mV的电源以及稳定的充电功率，对镍氢电池来说，在主要的电压监测功能外，充电器本身应该拥有第二重监测功能，如温度与计时器等。

锂离子充电电池的独立型充电控制器MAX8601内建有由内部控制的电压源Vbatt，在25℃时为4.2V ± 0.021V，在40℃到85℃范围内则为4.2V ± 0.034V，充电器在对电池进行充电时可以透过Vbatt连接维持稳定的输出功率，请参考(图五)，SETI接脚上的外加电阻以及CT接脚上的外加电容可以用来设定充电功率以及内部计时器，充电器同时也使用了NTC型电阻来监测可充电电池的温度。

MAX8601充电控制器的一个主要好处是能够透过外部市电变压器（DC接脚）或USB连接埠来进行充电，请参考(图六)。 USB连接埠可以提供100mA或500mA的充电电源，由USEL接脚上的设定决定，晶片会自动进行外部电源的选择，如果两个电源都可使用，那么它会优先透过市电变压器进行电池充电，两个电源都必须拥有最低4.5V的电压输出。

《图五　MAX8601独立型锂离子电池充电控制器的标准应用电路》

《图六　这个流程图描述了图五中晶片所采用的充电程序》

结语

DS2711与MAX8601为具备多重监测功能，如电压、电源、温度、计时器等，不需微控器或电源保护市电变压器供电的独立型充电控制器，这两款元件都能够提供清楚简单的外部切换功能。

---作者为Maxim美商美信公司应用工程师---