可编程快速充电管理芯片 MAX712 MAX713 及其应用.doc

摘 要本文介绍MAXIM公司生产的可编程电池充电管理芯片MAX712/ MAX713，利用MAX712/ MAX713系列芯片及简单外围电路可设计低成本的单多节镍氢电池或镍镉电池充电器，非常适用于便携式电子仪器的紧凑设计。本文将在介绍MAX712/ MAX713芯片的特点、功能的基础上，给出典型充电电路的设计方法及应用该充电芯片设计便携式仪器的体会。关键词：MAX712/ MAX713，电压梯度，快速充电，涓流充电NiCd/NiMH Battery Fast-Charge ControllersAbstractThis article describes the companys programmable MAXIM battery charge management IC MAX712 / MAX713, using MAX712 / MAX713 chips and simple external circuit can be designed low-cost single multi-cell NiMH batteries or nickel cadmium battery charger, ideal for portable The compact design of electronic equipment. This article will introduce MAX712 / MAX713 chip features and functions, based on the typical charge is given circuit design methodology and application of the charging chip design of portable equipment experience.Key words: MAX712 / MAX713, Voltage gradient, Fast charge, Trickle charge目 录1常用蓄电池的产品分类及性能比较11.1 常用蓄电池的产品分类11.2 几种常用蓄电池的性能比较21.3 蓄电池的充电方法22 MAX712/ MAX713简介43 器件封装及型号选择44 MAX712/MAX713的结构55 MAX712的主要特点66 编程应用66.1 电池数量的设定66.2 充电速率及时间的设定77 工作原理87.1 利用电压梯度充电87.2 利用电池温度充电88 应用实例99 结束语10致谢10参考文献10101常用蓄电池的产品分类及性能比较电池是指将化学能、内能、光能、原子能等形式的能量直接转化为电能的装置。在化学电池中，根据能否用充电方式回复电池存储电能的特性，可分为一次电池（亦称原电池）、二次电池（即蓄电池，也叫可充电电池）两大类。蓄电池主要由密封铅酸蓄电池、碱锰充电电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等类型。1.1 常用蓄电池的产品分类1，铅酸蓄电池铅酸蓄电池是蓄电池的一种，其主要特点是采用稀硫酸做电解液，用二氧化铅和海绵铅(金属）分别作为电池的正极和负极的酸性蓄电池。铅酸蓄电池的优点是适用范围广、原材料丰富。尽管铅酸蓄电池的发展历史悠久，但随着现代科技的发展和社会的进步，其固有的缺点也日益凸现。主要表现为他对环境的污染严重，损害人身健康，适用寿命较短，容易自放电，不便于在高温、高寒等恶劣环境下工作。目前，传统的铅酸蓄电池在许多应用领域正逐渐被环保型、高效节能电池所代替。2，镍镉电池镍镉（NiCd）蓄电池简称镍镉电池，它属于碱性蓄电池一种。其主要优点是体积小，容量大，密封好，输出电压平稳，使用范围宽，坚固耐用，可多次充电，与干电池的互换性好。镍镉电池的缺点是存在记忆效应并且容易污染环境。但其价格较低，目前仍被用于电子仪器、信号控制系统、应急照明灯及电动玩具中。镍镉电池的缺点是存在记忆效应并且容易污染环境。所谓记忆效应是指蓄电池在使用过程中由于未全部放完电，而在负极产生氧化物，对充电过程起到阻碍作用，并随着充放电次数的增加，使得记忆效应日趋严重。例如，在放出40%的电量时开始充电，蓄电池就把该状态“记忆”下来，并从余下的60%电量开始，一直充到100%电量。下次使用时，该电池大约只能放出40%的电量。具体表现为电池电量“一充就满，一用就完”，无法正常使用。镍镉电池具有记忆效应，消除的办法是每次充电前都要把镍镉电池的电量完全释放掉，这即给用户带来不便，又浪费了电能。镍镉电池在出厂时呈充电状态或半充电状态。若出厂周期很短，使用前也可以不充电。但存放日久会自行放电。例如在20C环境条件下放置3个月，容量即可损失80%。在高温、高湿度情况下，自行放电速度会大大加快，必须及时充电。3，镍氢电池镍氢（NiMH）电池是由镍、贮氢金属和碱性电解液制成，正极材料可选Ni（OH)2，负极材料是能大量吸附氢气的贮氧合金，例如M1合金材料：电解液为KOH或NaOH。镍氢电池的价格适中，质量能量密度和容积能量密度分别为2080Wh/kg、205305Wh/L，放置一个月的自放电率为30%。镍氢电池的不足之处是子房电率高于镍镉电池，当环境温度从15C升至45C时，容量会降低20%30%，放置一个月不用，电能会减小30%。4，锂离子电池锂离子电池（LiIon）电池是最理想的碱性电池，其质量能量密度和容积能量密度分别可达105127Wh/kg、260310Wh/L，自放电率仅为（38）%。锂离子电池的主要优点是无记忆效应、无需放电即可进行充电、能量比较高（比能量是指单位质量或单位体积的能量，其单位是Wh/kg或Wh/L）、工作电压高（手机用单体锂离子电池的电压为3.6V，是镍镉电池、镍氢电池电压的3倍）、体积小。质量轻、使用寿命长、工作温度范围宽（2060C）。优质锂离子电池的寿命可达1200次以上，原高于其他电池。国产402030型聚合物锂离子电池标称电压为3.6V，充电限制电压为4.2V，终止电压为2.75V，内阻小于150m，自放电率低于5%/月。在放电过程中，锂离子沿着从正极负极正极的方向运动，而电池电压基本不变。1.2 几种常用蓄电池的性能比较几种常用蓄电池性能比较见表1。其中，3种碱性蓄电池的能量密度如图1所示。由图可见，锂离子电池的能量密度最高，镍氢电池次之，镍镉电池最低。表1 几种常用蓄电池性能比较蓄电池名称类型单位电压（V）质量能量密度（Wh/kg）容积能量密度（Wh/L）放置1个月的自放电率（%）性价比铅酸蓄电池酸性电池2.022233679低镍镉电池碱性电池1.219558519520较低镍氢电池1.2528020530530较高锂离子电池3.610512726031038高1.3 蓄电池的充电方法蓄电池的充电方法有三种：1，标准充电法标准充电法就是在规定环境温度下，用额定倍率的电流对蓄电池进行较长时间的充电，使之达到额定容量。额定容量是蓄电池的一个重要参数，其单位是Ah（安时）。例如，额定容量为0.5Ah，表示若以0.5A电流放电，则放电时间为1h，称为1倍率放电，并用符号1C5A来表示。同理，假如按照2倍率放电（2C5A)，放电电流就增加到1A，放电时间也缩短到0.5h。反之，0.1C5A表示按0.1A倍率放电，放电电流仅为0.05A，而放电时间可延长到10h。以镍镉电池为例，在环境温度为1530C条件下，一般可用0.1C5A倍率的电流充电1416h。充电电流的计算公式为举例说明，对于GNYG0.5型镍镉电池，I充0.5Ah/10h0.05A50mA。对于GNYG4型而言，I充0.4A，以此类推。以上是按0.1C5A倍率的电流充电，此外还可选0.15C5A、0.2C5A、0.3C5A等倍率的电流来充电，充电时间分别为9.5h、7h、4.5h。计算充电电流时，充电电流计算公式中的数值10h需做相应的改动。2，快速充电法在应急情况下，可用大电流进行快速充电。但仍以镍镉电池为例，进行快速充电时要在0.81.2C5A倍率的大电流下充电1.20.8h（充电电流愈大，充电时间愈短），即可获得70%90%的额定容量。在快速充电之前应将电池的电量全部放掉。3，涓流充电法涓流是涓涓细流的意思。当镍镉电池处于备用状态时，为补偿其自行放电而造成的容量损失，平时可对它进行涓流充电，充电电流一般选为0.010.05C5A，最大不得超过0.1C5A。涓流充电能延长镍镉电池使用寿命，在正常工作条件下，GNYG系列产品可充电800次以上（IEC标准规定为400次）。使用涓流充电的电池寿命可延长46年。通常认为，镍镉电池在充电结束时的输出容量若低于60%额定容量，则表明其寿命终止，就不能继续进行充电了。2 MAX712/ MAX713简介MAX712/ MAX713MAX712/ MAX713系列是MAXIM公司生产的快速充电管理芯片，MAX712/ MAX713芯片适合116节镍氢电池或镍镉电池的充电需要，同时根据不同的应用提供了Plastic DIP、Narrow SO和DICE几种可选封装形式，利用该芯片设计的充电器外围电路及其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。MAX712/ MAX713可通过简单的管脚电压配置进行编程，实现对充电电池支数和最大充电时间的控制，内部集成的电压梯度检测器、温度比较器、定时器等控制电路，根据电压梯度、电池温度或充电时间的检测结果，自动控制充电状态，从涓流充电转到快速充电（低温时）或从快速充电转到涓流充电，以确保电池不受损害。充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动从快速充电转为涓流充电、低功耗睡眠等特性。快速充电速率从C/4 到4C可设定，涓流充电速率为C/16。MAX712/ MAX713系列专用集成电路，具有多种可编程功能，可实现充电过程自动化，充电时间短、效率高、使用方便灵活。MAX712/ MAX713的特性相似，差别在于MAX712在检测到du/dt变为零时终止快速充电模式，而MAX713是在检测到du/dt变为负时终止快速充电模式； MAX712/ MAX713都能通过适当的设置给116节镍氢电池充电，具有线性或开关模式功率控制，对于线性模式，在蓄电池充电时能同时给蓄电池的负载供电；具有根据电压梯度、温度或时间三种方式截止快速充电，并自动从快速充电转到涓流充电；当不充电时在蓄电池上的最大漏电流仅5mA。3 器件封装及型号选择MAX712/MAX713 的引脚排列如图1所示，其引脚符号和功能描述如下:表1 MAX712/MAX713 的引脚功能 引脚符号功能VLIMIT设置单节电池最大电压，电池组（BATT、BATT）的最大电压Em不能超过VLIMITn （镍氢电池数量），单位为V，且VLIMIT不能超过2.5V，当VLINIT接V时，Em=1.65n（V），通常将VLIMIT与REF连接BATT电池组正极PGM0可编程引脚PGM1可编程引脚。通过对PGM0和PGM1脚电压的设定可设置充电电池的的数量，从116节引脚符号功能THI温度比较器的上限电压。当TEMP电压大上升到THI时，快速充电结束TLO温度比较器的下限电压。充电初始，当TEMP电压低于TLO时快速充电被禁止，直到TEMP电压高于TLOTEMP温度传感器输入FASTCHG快速充电状态输出。漏极开路的快速充电逻辑电平输出端（负逻辑），外接上拉电阻。在快速充电时此端为低电平；在快速充电结束或转入涓流充电时此端变成高电平。PGM2可编程引脚。通过对PGM2和PGM3脚电压的设定可设置快速充电的最大允许时间，从33min264minPGM3可编程引脚。除设定最大允许时间外,还可设定快速充电和涓流充电的速率。内部定时器引出端，用于设定快速充电时间TFASTCC电流环路的补偿端。通过CC与BATT之间接补偿电容BATT电池组负极 GND系统地 DRV驱动外围PNP管的引出端 V内部5V并联稳压器的引出端，该端相当于BATT端电压为5V,为芯片提供分路电流 （5mA20mA），电源电流最小值为5mAREF内部2.0V基准电压源的输出端，可提供1mA的输出电流4 MAX712/MAX713的结构MAX712的内部电路结构如图2所示。它主要由时钟电路、V检测电路、温度检测电路、控制逻辑电路、输出控制电路、比较器等组成。当芯片加电后，内部复位，时钟开始倒计时，如果电池温度条件满足，且每节电池电压大于0.4V，系统便开始对电池进行快速充电。控制逻辑电路有四个信号输入：时钟倒计时终止信号；温度检测信号；V检测信号；比较器输出的电流反馈信号。上述四种信号送入控制逻辑电路后，由它去控制输出控制电路，经DRV端驱动控制外接电流调整管。如果倒计时结束，或电池电压不再升高，或电池的温度有明显的上升，即这三个条件中有一个满足时，控制逻辑电路便会结束快速充电而转入涓流充电模式工作。在BATT端输入的充电电流信息，经输出控制电路内部放大后，送往控制逻辑电路，经逻辑判断、输出电路、外接电流调整等使充电电流保持恒流充电状态。5 MAX712的主要特点 MAX712的主要特点有：（1） 采用零电压斜率检测技术。对116节串联的镍氢/镍镉电池，能以C/3C速率的大电流充电，也能以C/16的速率进行涓流充电（镍氢电池的额定容量用Ah安时表示，如果某镍氢电池额定容量为1Ah，若以1A电流充电，充电时间为h，则称1C速率充电）。（2） 可编程。可以编程设定充镍氢电池数量（116节镍氢电池串联）、充电时间22min264min）、涓流充电电流的大小。只需改变相应管脚的接法，即可实现编程。（3） 利用外部电阻可设定快速充电电流IFAST。（4） 内含电压斜率检测器、温度比较器、定时器。根据电压斜率、镍氢电池温度或充电时间检测结果，可判断镍氢电池是否已充好电。一旦充好，就立即从快速充电自动切换到涓流充电，确保镍氢电池不受损害。（5） 静态功耗低，充电效率高，不充电时最大静态电流仅为5A。6 编程应用镍氢电池数量的编程方法：将PGM0，PGM1端分别接在V、REF、BATT端或开路时，即可对待充电镍氢电池的数（116节）进行编程。快速充电时间及涓流充电电流的编程方法为：将PGM3、PGM4端分别接在V、REF、BATT端或开路时，可在22min264min之内设定充电时间TFASTPGM3端还可设定从快速充电切换到涓流充电电流ITR的大小。6.1 电池数量的设定在应用中 MAX712/MAX713 提供可编程引脚 PGM0 和 PGM1，通过对两者采取不同的电压连接方式即可设置充电电池数量（见表 2）, 1 节16 节。而实际充电电池的数量也必须与由 PGM0和 PGM1 编程确定的数量一致,否则利用电压梯度检测充电功能将可能失去意义。表2 采取不同的电压连接方式充电镍氢电池数量设置镍氢电池数量PGM0连接方式PGM1连接方式镍氢电池数量PGM0连接方式PGM1连接方式1VV9VREF2OpenV10OpenREF3REFV11REFREF4BATTV12BATTREF5VOpen13VBATT6OpenOpen14OpenBATT7REFOpen15REFBATT8BATTOpen16BATTBATT6.2 充电速率及时间的设定通过对 PGM2 和 PGM3 引脚的编程电压设置可设定电池的充电速率和充电时间，采取不同的电压连接方式最大充电时间的设定见表3表3 最大充电时间的设定最大时间（min）A/D采样时间（s）（tA)电压梯度检测充电PGM3连接方式PGM2连接方式2221不能VOpen2221能VREF3321不能VV3321能VBATT4542不能OpenOpen4542能OpenREF6642不能OpenV6642能OpenBATT9084不能REFOpen9084能REFREF13284不能REFV13284能REFBATT180168不能BATTOpen180168能BATTREF264168不能BATTV264168能BATTBATT从表3中可以看出,对于 MAX712/MAX713 来说,最大允许快速充电时间为 264min,因此其最小充电速率将不能低于 C/4。快速充电电流可按以下公式计算：而涓流充电电流ITRICKLET 一般为 C/16，ITRICKLET 与 IFAST 的关系如表 4 所示。此外,鉴于电池本身的固有特性（将电能转化为化学能存储）,充电时间效率通常在 80%左右,即当以 C/2 速率充电时,理论上充电时间为 2 h,而实际时间通常为 2.5h左右。表4 涓流充电电流ITRICKLET与快速充电电流IFAST的关系PGM3快速充电速率涓流充电电流PGM3快速充电速率涓流充电电流V4CIFAST/64REFCIFAST/16Open2CIFAST/32BATTC/2IFAST/87 工作原理7.1 利用电压梯度充电图3反映了利用电压梯度控制快速充电的全过程。在时间1内，MAX712/MAX713从电池吸收很小的电流（5mA左右），当接通充电电源后，开始对电池以C/16的速率进行涓流充电（因为电池电压低于0.4V），电池电压开始上升（时间2）。当单节电池电压上升到0.4V以后，快速充电正式开始（时间3），电池电压和电池温度持续上升，充电电流保持在设定值不变。当电池电量达到额定值后，电池组电压开始下降，即du/dt为零（MAX712）或为负值（MAX713）时系统从快速充电转到涓流充电（时间4），此时电池电压继续下降到一定值后保持不变，电池温度也随之降低。当充电电源从电路中移开后负载和MAX712/MAX713从电池吸收电流（时间5）。为保证电路能准确、可靠地工作，在选择直流充电电源DC时，DC必须大于6V且在线性模式下要求DC必须比电池组最大电压高出至少1.5V（开关模式2V）。7.2 利用电池温度充电图4显示了典型的利用电池温度变化控制充电的过程，在本例中电池温度比较低（如刚从寒冷的室外环境拿入室内）。在时间1内，MAX712/MAX713从电池吸收很小的电流（5mA左右）。当接通充电电源后，开始对电池以C/16的速率进行涓流充电（因为电池温度低于电压），电池温度逐渐升高（时间2）。当电池温度对应的电压TEMP升高到TLO时，系统自动转入快速充电，此时充电电流保持恒定，电池温度继续升高（时间3）。当电池温度对应的电压TEMP升高到THI时，停止快速充电，又转为涓流充电，电池温度也随之降低（时间4）。利用温度控制的原理是：通过MAX712/MAX713内部的温度比较器对TEMP的输入电压和TLO、THI设定的电压进行比较，即可控制其充电过程。当TEMP电压低于TLO或高于TTHI时只能涓流充电，反之可进行快速充电。在应用中常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现，如图5所示。分压电阻的阻值可根据参数计算。在该电路中监测的