基于MAX2003A的镍镉电池快速充电器

基于MAX2003A的镍镉电池快速充电器
基于MAX2003A的镍镉电池快速充电器
司朝良(72655部队,山东济南250022)
摘要：首先介绍镍镉/镍氢电池快速充电控制器MAX2003A的原理及功能，然后，以一个实例说明用MAX2003A 制作镍镉电池快速充电器的设计步骤，给出了具体的硬件电路。

1前言
镍镉电池作为一种便携式电源，具有体积小、容量大、内阻小、输出电压平稳以及可反复充电等特点，正被越来越广泛地应用于计算机、电子测量仪表和各类通信设备中，由于其价格比普通的锌锰电池昂贵，因此科学合理地使用镍镉电池显得非常重要，而选择正确、可靠的充电方式是充分发挥镍镉电池效能和保证其寿命的关键。

常用的镍镉电池充电器大都采用分立元件制作，一致性差、精度低，不适合大规模生产，而且充电终止方法不安全、不可靠，影响电池的使用寿命。

本文介绍一种镍镉/镍氢电池快速充电控制电路MAX2003A及用它制作的实用镍镉电池快速充电器。

2MAX2003A的结构与特点
MAX2003A是美国Maxim公司生产的镍镉/镍氢电池快速充电控制器电路，可实现快速充电，并且充电过程自动化，使用安全可靠、灵活方便。

2 1内部结构
图1是MAX2003A的内部结构框图。

它主要包括振荡与时间控制器、充电控制状态器、最高电池电压（MCV）检测器、A/D转换器、调制方式（MOD）控制器、显示控制器和两个温度（低温和TCO）检测器、两个电压比较器等。

2 2引脚排列及功能
MAX2003ACPE采用16脚DIP型封装，其引脚排列如图2所示，各引脚功能见表1。

2 3主要特点
——可对多节镍镉或镍氢电池进行快速充电，充电速率可编程控制；
图1MAX2003A内部结构
图2引脚排列
表1引脚功能
——提供脉冲开关和线性恒流两种充电模式；
——具有温度斜率、最高电压、－ΔV、最长时间和最高温度等5种快充终止方式，避免电池过充；
——提供补充（T op off）充电和脉冲涓流充电功能，在快充结束后用补充方式继续对电池充电，以防止电池的欠充；脉冲涓流充电可以抵消电池由于自放电引起的能量减少，还有助于克服记忆效应；
——能实现从快速充电到脉冲充电的自动转换；
——具有可选用的放电功能，对于激发旧电池的活性和容量恢复非常有效；
——可直接驱动LED，显示不同的充电状态。

表2LED的状态
3镍镉电池快速充电器的设计与实现
3 1快速充电终止方式的选择
用MAX2003A制作快速充电器，快速充电终止方式有5种：温度
斜率法、最高电压法、－ΔV法、最长时间法和最高温度法等。

对于镍镉电池而言，采用－ΔV法最为安全，也最为可靠。

因为镍镉电池在充电时有这样一种特性，就是在其容量达到额定容量的80％左右时，电池端电压快速上升，而在容量达到或接近100％时，其电压反而下降，即产生所谓的－ΔV变化。

不同的镍镉电池，其－ΔV变化特性基本一致，而
不同电池的最大电压与温度斜率等都不尽相同。

因而检测－ΔV的变化作为充电终止方式最为可靠。

同时，MAX2003A检测－ΔV的变化也极为灵敏，其灵敏度约为12mV。

另外，可同时选用最高电压作为快充终止条件,并且为安全起见，电路会根据不同的充电速率自动选定一个时间作为最长的快充终止时间，而且最长时间终止方式优先级最高。

快充开始后，内部的时间控制器会自动计时，一旦设定的最长时间达到，无论其他快充终止条件是否满足，快速充电和补充充电过程立即结束。

3 2MAX2003A的编程与电路设计
根据以上的分析，下面以对4节容量为500mAh的AA型镍镉电池的快速充电为例，说明MAX2003A的编程方法和电路设计原则。

3 2 1电池数的编程
MAX2003A的第7脚（BAT端）检测单节电池的电压，以决定快充的开始与结束，它通常由一个电阻器分压网络获得（如图3的RB1和RB2）。

电池的数目可通过设定RB1和RB2的值进行确定，一般通过下式计算：
电池数=（RB1/RB2)＋1
另外，为确保充电器可靠工作，RB1和RB2的值既不能太大，也不能太小，通常两者的和值在100kΩ到500kΩ之间。

本例中，选择RB1=90kΩ、RB2=30kΩ。

3 2 2检测电阻RSNS的选择
MAX2003A的第9脚（SNS端）的连接方式决定充电电流的模式，该脚连接到电池的负端，如果再直接与地相连，则充电方式是线性恒流模式；如果该脚通过一个电阻器（RSNS）与地相连，则充电方
式是脉冲开关方式。

由于脉冲方式充电能够减小电池内部发热、防止树状结晶的产生，而且比恒流方式充电的效率更高，所以我们选用脉冲电流充电模式。

此时，MAX2003A的第14脚（MOD端）输出为脉冲电压。

RSNS的阻值由下式确定：
RSNS=VSNS/IFAST=0.235/IFAST
我们选定快充电流IFAST为500mA，则RSNS为0.47Ω（1/4W）。

3 2 3最高电池电压（MCV）、温度关断电压（VTCO）和温度检测电压（VTS）的设定
本设计中，温度检测法并没有采用，但第10脚（TCO端）的温度关断电压VTCO和第6脚（TS端）的温度检测电压VTS都必须进行正确的设定，否则充电器无法进入快速充电状态。

MCV的值和VTCO通常分别为1.9V和1.71V，二者可由一电阻分压网络同时设定（如图3中的R1、R2、R3），若R1、R2和R3分别为60kΩ、3.6kΩ和33kΩ，则MCV和VTCO的值分别约为1.89V 和1.71V。

同时，VTS的值必须在1.71V～2V范围内，否则MAX2003A也不能进入快速充电状态。

如果选RT1=1.5kΩ、RT2=910Ω，则：VTS=RT2×Vcc/(RT1＋RT2)
=5×0.91/(1.5＋0.91)≈1.89V
这样，在其它终止条件没有达到时，充电器处于可靠的快充状态。

3 2 4快充速率、最长时间及脉冲电流的设定
快充速率（即快充电流）和最长时间的值以及脉冲电流的开关比都可以通过对4脚（TM1）和5脚（TM2）的设置进行确定（见表3）。

本设计中，将TM1接地、TM2接Vcc，这样，快充时间为一个小时，但实际的快充时间一般要比设定值多30％～40％，大约为80分钟。

在快充结束后，继续对电池进行补充充电，直到最长时间到达设定值（90分钟），或者电池电压达到设定的最大值（1.89V），补充充电结束。

然后，自动转入开0.5秒、关32秒的脉冲充电。

表3TM1和TM2的设置
表3中的延迟时间是指在充电器加电且待充电池放置后的一段时间内，－ΔV和最大电池电压的终止方法无效，以避免错误动作。

3 2 5放电功能的选用与放电电流的设定
充电前的放电功能对于旧的镍镉电池特别有用，它有助于消除因为经常性的不完全放电而引起的电压下沉和容量减少现象。

通常只需在“DCMD”端有一个正沿触发脉冲，即可使电路进入放电状态。

但MAX2003A不能控制放电电流，所以需要加合理的放电限流电阻器（如图3中的RDIS），否则若放电电流过大，会使电池过热甚至烧毁。

本设计中，放电通路由电池正极经由RDIS、Q2到地，再经RSNS 到电池负极。

为安全起见，放电电流选为C/5（即100mA），Q2选用场效应管IRF820，因此，RDIS=（4×1.2－0.3）V/0.1A=45Ω，实际选用43Ω/1W 的电阻器。

3 3电路实现
按上述原则设计的由MAX2003A构成的镍镉电池快速充电器实用电路如图3所示。

利用该电路可对4节500mAh的AA型镍镉电池实施快速充电，充电电流约为500mA（即1C）。

交流变压器为10V/15W，对充电常数有关键影响的电阻器RB1、RB2和R1、R2、R3都选用精确的5环金属膜电阻器，RSNS则由两只
0.94Ω（1/4W）的电阻器并联而成（0.94Ω的电阻器用欧姆表从多只1Ω电阻器中筛选出来）；电感器的参数为100μН/1A。

图3快速充电器实用电路
当待充电池放置好后，接通电源，如需放电，则按下按键“AN”，电池即开始以100mA左右的电流放电。

直到MAX2003A的第7脚检测到单节电池的电压低于1V，则放电终止，然后转入正常的快速充电过程。

RB和CB组成一个简单的低通滤波器（须满足RB×CB<200ms），以消除可能出现的高频噪声，使“BAT”端检测到的电压更平稳，充电过程更可靠。

4电路特点
（1）图3所示的电路可对4节AA型镍镉电池实施快速充电，充电电流约为500mA（即1C速率），充电过程自动化。

（2）对于放置时间过长、电压低于放电终止电压（一般为1V）的电池，该电路会首先自动对其进行脉冲方式充电，以消除其内部的树状结晶，待电池电压上升到1V以上时，再开始快速充电。

这有助于
消除电池的记忆效应，恢复其容量。

（3）该电路还可利用补充充电（Top－off）方式，在快充结束后，以大约为1/8快充电流大小的小电流对电池充电，这种方式是采用开0.5秒、关3.5秒的脉冲调制方式，有助于减小电池内部发热，增加电池的储能效果。

（4）MAX2003A还可以对镍氢电池进行快速充电，但不能采用图3所示的电路，因为镍氢电池没有－ΔV现象。

对镍氢电池充电时，应该主要用ΔT/ΔV（温度斜率）法和最高电压法监视快速充电过程。