MAXIM DS2711/DS2712：松散鎳氫電池充電器的卓越之選

在電子設(shè)備的世界里，電池充電器的性能直接影響著設(shè)備的使用體驗(yàn)和電池的壽命。今天，我們就來深入探討一下MAXIM公司的DS2711和DS2712這兩款專為1或2節(jié)AA或AAA松散鎳氫（NiMH）電池充電而設(shè)計(jì)的充電器芯片。

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一、產(chǎn)品概述

DS2711和DS2712適用于系統(tǒng)內(nèi)或獨(dú)立充電場景。它們通過監(jiān)測溫度、電壓和充電時(shí)間，為鎳氫電池提供合適的快速充電控制算法。同時(shí)，芯片還具備電池檢測功能，能識別如堿性原電池等有缺陷或不適合充電的電池。此外，DS2711/DS2712支持串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可對每個(gè)電池進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測和控制，也支持鎳鎘（NiCd）電池的充電。

應(yīng)用場景廣泛

這些芯片的應(yīng)用場景十分豐富，涵蓋了桌面/獨(dú)立充電器（AAA/AA）、數(shù)碼相機(jī)、音樂播放器、游戲設(shè)備以及玩具等領(lǐng)域。

功能特性突出

• 靈活充電：可對1或2節(jié)鎳氫電池進(jìn)行充電。
• 電池檢測：能檢測并避免對堿性電池充電。
• 預(yù)充電功能：對深度放電的電池進(jìn)行預(yù)充電。
• 快速充電終止：采用 -?V 終止法進(jìn)行鎳氫電池的快速充電，靈敏度為2mV（典型值）。
• 多參數(shù)監(jiān)測：監(jiān)測電壓、溫度和時(shí)間，確保充電安全和二次終止。
• 充電電流調(diào)節(jié)：DS2711采用線性控制，DS2712采用開關(guān)模式控制。
• 驅(qū)動元件多樣：可驅(qū)動pMOS或pnp型通斷元件、開關(guān)或光耦合器，與流行的光耦合器和集成初級側(cè)PWM控制器兼容。
• 封裝小巧：采用16引腳SO或TSSOP封裝。

二、引腳配置與描述

大家在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，一定要準(zhǔn)確了解每個(gè)引腳的功能，才能確保芯片正常工作。這里大家有想過如果某個(gè)引腳連接錯誤，會出現(xiàn)什么樣的問題嗎？

三、電氣特性

絕對最大額定值

芯片在所有引腳相對于VSS的電壓范圍為 -0.3V至 +6V，DMSEL引腳的電壓范圍為VDD + 0.3V等。需要注意的是，這些只是應(yīng)力額定值，在超出操作條件的情況下，并不能保證器件正常工作，長時(shí)間處于絕對最大額定值條件下可能會影響可靠性。

推薦直流工作條件

推薦的電源電壓VDD范圍為4.0V至5.5V，輸入電壓范圍在不同引腳有相應(yīng)要求。

DC電氣特性

涵蓋了電源電流、欠壓鎖定閾值、輸出電壓低、泄漏電流、閾值電壓等多個(gè)參數(shù)。例如，電源電流IDD在工作模式下典型值為250μA，最大值為500μA。

電氣特性 - 定時(shí)

包括內(nèi)部時(shí)基周期、時(shí)基精度、占空比、電池測試間隔、預(yù)充電超時(shí)、快速充電終止延遲期等參數(shù)。如內(nèi)部時(shí)基周期典型值為0.96s，時(shí)間精度在 -10%至 +10%之間。這些參數(shù)對于精確控制充電過程至關(guān)重要，大家在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體需求進(jìn)行合理設(shè)置。想想看，如果時(shí)基精度不準(zhǔn)確，對充電過程會有多大的影響呢？

四、詳細(xì)工作原理與充電配置

充電算法概述

充電周期開始的方式有三種：在已插入電池的情況下給DS2711供電、上電后檢測到電池插入、退出暫停模式且電池已插入。充電過程從預(yù)充電驗(yàn)證開始，防止對深度放電的電池進(jìn)行快速充電或在極端溫度條件下充電。預(yù)充電以較低速率進(jìn)行，直到每個(gè)電池達(dá)到1V，然后進(jìn)入快速充電階段。快速充電過程中會進(jìn)行電池測試，避免對不合格電池充電。當(dāng)電池溫度低于50°C且開路電池電壓在1.0V至1.75V之間時(shí)，快速充電持續(xù)進(jìn)行，直至采用 -?V 方法終止。之后進(jìn)入頂充階段，最后是維護(hù)充電階段，以保持電池充滿狀態(tài)。在整個(gè)充電過程中，對最大電壓、溫度和充電時(shí)間的監(jiān)測作為二次或安全終止方法，提供過充保護(hù)。

串聯(lián)充電配置

DS2711/DS2712的串聯(lián)配置支持單槽或雙槽獨(dú)立充電器以及系統(tǒng)內(nèi)單節(jié)或雙節(jié)電池充電。在單節(jié)電池串聯(lián)模式下，為一節(jié)電池充電；雙節(jié)電池串聯(lián)模式下，為兩節(jié)串聯(lián)電池充電。需要注意的是，在串聯(lián)配置中，電池尺寸不應(yīng)混合使用。以圖3為例，充電電流通過DS2711的CC1引腳控制的PNP晶體管輸送到電池，電流調(diào)節(jié)利用DS2711 CSOUT引腳提供的電流感應(yīng)反饋在外部電路中實(shí)現(xiàn)。DS2712也可用于該電路，在CSOUT引腳提供開關(guān)模式控制。RSNS = 0.125Ω時(shí)，充電源電流ICHG設(shè)置為1A，串聯(lián)模式下有效充電電流為0.969 × ICHG = 969mA。

并聯(lián)充電配置

并聯(lián)配置支持雙槽獨(dú)立充電器，通過CC1和CC2引腳交替控制給每個(gè)電池提供充電脈沖，充電過程并行進(jìn)行。CC1和CC2的占空比相互獨(dú)立，每個(gè)電池從預(yù)充電到快速充電、快速充電到頂充、頂充到維護(hù)充電的轉(zhuǎn)換都是獨(dú)立的。如圖4所示，通過電流感應(yīng)反饋將充電源調(diào)節(jié)為2A（RSNS = 0.068Ω），每個(gè)電池的有效充電電流為2A × 0.484 = 0.968A。這種設(shè)計(jì)可以構(gòu)建能接受AA或AAA電池尺寸的充電器，通過將電流感應(yīng)電阻分為兩個(gè)獨(dú)立電阻，使每種電池類型以不同速率充電。同時(shí)，電池盒的機(jī)械設(shè)計(jì)要防止在每個(gè)插槽中插入多個(gè)電池以及防止反極性插入。

開關(guān)模式充電電流調(diào)節(jié)的DS2712并聯(lián)充電配置

圖5中的示例使用DS2712作為開關(guān)（降壓）調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)充電電流。通過RSNS = 0.056Ω將ICHG設(shè)置為2A，每個(gè)電池的有效充電電流為ICHG × 0.484 = 968mA。當(dāng)檢測電阻兩端的電壓超過0.125V時(shí)，CSOUT比較器輸出關(guān)閉；電壓降至0.100V以下時(shí)，輸出開啟。在這種模式下，工作頻率主要由電感值、磁滯、輸入電壓和電池電壓決定。在某些情況下，可能需要阻尼網(wǎng)絡(luò)來防止電池移除時(shí)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

五、其他重要特性

欠壓鎖定（UVLO）

UVLO電路通過監(jiān)測VDD來作為上電和掉電檢測器，防止在VDD上升到VUVLO以上之前或VDD下降到VUVLO - VHYS以下時(shí)進(jìn)行充電。如果UVLO激活，充電將被阻止，狀態(tài)機(jī)將被強(qiáng)制重置，所有充電定時(shí)器也將重置。10μs的去毛刺電路提供抗干擾能力。

內(nèi)部振蕩器和時(shí)鐘生成

內(nèi)部振蕩器為芯片內(nèi)部操作提供主時(shí)鐘源，用于生成預(yù)充電定時(shí)器、延遲定時(shí)器以及CC1/CC2操作和電池測試的定時(shí)信號。

電流感應(yīng)放大器（DS2711）

DS2711中的誤差放大器塊提供多種調(diào)節(jié)充電電流的選項(xiàng)。其20mA的開漏輸出可以驅(qū)動PMOS或PNP通斷元件進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，也可以驅(qū)動光耦合器為初級側(cè)PWM控制器提供隔離反饋。VN0引腳是遠(yuǎn)程感應(yīng)返回端，應(yīng)使用單獨(dú)的絕緣導(dǎo)體連接到檢測電阻的接地端。

電流感應(yīng)比較器（DS2712）

DS2712中的比較器在開和關(guān)之間切換，能夠驅(qū)動PNP雙極晶體管或PMOS晶體管，實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式功率級的使用。比較器輸入的磁滯提供抗干擾能力。在圖5的閉環(huán)調(diào)節(jié)電路中，比較器將檢測電阻兩端的電壓調(diào)節(jié)為直流平均值：VRSNS = VIREF - 0.5 × VHYS - COMP = 0.125V。

充電定時(shí)器

充電定時(shí)器監(jiān)測快速充電和頂充階段的充電持續(xù)時(shí)間，每個(gè)階段開始時(shí)重置。超時(shí)時(shí)間通過連接在TMR引腳和VSS之間的外部電阻設(shè)置。電阻可以選擇支持0.5至10小時(shí)的快速充電超時(shí)時(shí)間和0.25至5小時(shí)的頂充超時(shí)時(shí)間。如果快速充電時(shí)定時(shí)器超時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)重置，充電進(jìn)入頂充階段；頂充時(shí)定時(shí)器超時(shí)，充電進(jìn)入維護(hù)階段。編程的充電時(shí)間大致遵循公式：t = 1.5 × R / 1000（時(shí)間以分鐘為單位）。

暫停功能

通過斷開TMR引腳可以暫停充電活動，此時(shí)CC1和CC2輸出變?yōu)楦咦杩?，充電定時(shí)器停止，狀態(tài)機(jī)和所有定時(shí)器重置為電池存在測試條件。

溫度感應(yīng)

通過在THM1或THM2（THMx）與Vss之間連接一個(gè)外部10kΩ NTC熱敏電阻，并在VDD和THMx之間連接一個(gè)10kΩ偏置電阻，DS2711可以感應(yīng)溫度。為了感應(yīng)電池溫度，應(yīng)將熱敏電阻靠近電池本體放置，使THM1監(jiān)測電池1的溫度，THM2監(jiān)測電池2的溫度。也可以將熱敏電阻放置在遠(yuǎn)離電池的位置以感應(yīng)環(huán)境溫度。THM1和THM2可以連接在一起，使用單個(gè)熱敏電阻和偏置電阻來感應(yīng)溫度。通過將THM1和THM2連接到一個(gè)提供介于熱敏電阻最小和最大閾值電壓之間電壓的電阻分壓器，可以禁用溫度驗(yàn)證功能。

電池電壓監(jiān)測

在雙節(jié)電池串聯(lián)模式下，通過VP2和VP1之間的電壓差確定電池2的電壓，VP1和VN1之間的電壓差確定電池1的電壓；單節(jié)電池串聯(lián)模式下，VP1和VN1之間的電壓差作為電池電壓，VP2可以不連接。在并聯(lián)模式下，VP2和VN1之間的電壓差用于確定電池2的電壓，VP1和VN1之間的電壓差用于確定電池1的電壓。 對每個(gè)電池的電壓進(jìn)行最小和最大值監(jiān)測，使用VBAT - MIN、VBAT - MAX1和VBAT - MAX2閾值限制。插入電池或上電時(shí)，電池電壓必須低于VBAT - MAX1閾值才能開始充電。VBAT - MIN閾值確定是否需要進(jìn)行預(yù)充電以及何時(shí)從預(yù)充電過渡到快速充電?？焖俪潆婇_始后，每秒將電池電壓與VBAT - MAX2閾值進(jìn)行比較。當(dāng)充電控制引腳（CC1或CC2）控制電池電流時(shí)為高電平，此時(shí)的電池電壓稱為VON電壓；充電控制引腳不工作時(shí)，電池電壓稱為VOFF電壓。如果快速充電時(shí)超過VBAT - MAX2，充電將停止并顯示故障狀態(tài)。在快速充電過程中，存儲電池電壓測量值并與后續(xù)測量值進(jìn)行比較，用于充電終止和電池測試。 還會進(jìn)行兩種類型的測試以檢測一次堿性電池、鋰電池或有缺陷的鎳氫或鎳鎘二次電池。在串聯(lián)和并聯(lián)配置中，對每個(gè)電池進(jìn)行單獨(dú)測試，以便快速檢測出單個(gè)不合格或有缺陷的電池。在串聯(lián)配置中，單個(gè)有缺陷的電池會導(dǎo)致兩個(gè)電池都停止充電；而在并聯(lián)模式下，好的電池繼續(xù)充電，有缺陷的電池停止充電。 VCTST由CTST引腳到地的電阻設(shè)置，通過在CTST和VSS之間連接一個(gè)80kΩ電阻，可將標(biāo)稱靈敏度設(shè)置為100mV，檢測閾值可以在32mV至400mV之間設(shè)置，計(jì)算公式近似為：VCTST = 8000 / R（值以V為單位）。

-?V和扁平電壓終止

在快速充電過程中，通過比較連續(xù)的電壓測量值，檢測電池電壓下降2mV來進(jìn)行 -?V檢測。 -?V檢測的延遲期從快速充電開始時(shí)開始，防止在充電周期的前幾分鐘出現(xiàn)誤終止。延遲期結(jié)束后，每32個(gè)時(shí)鐘周期（CCx關(guān)閉期間）獲取一次電池電壓測量值。當(dāng)新獲取的電壓測量值大于之前的任何一個(gè)時(shí)，將新值保留為最大值。當(dāng)電池電壓不再增加時(shí)，保留最大值并與后續(xù)值進(jìn)行比較。如果電池電壓下降達(dá)到 -?V閾值（典型值為2mV），快速充電終止。如果電池電壓保持平坦，即最大值持續(xù)16分鐘（tFLAT），快速充電終止，進(jìn)入頂充階段。

頂充和維護(hù)

在頂充模式下，充電器將電池電流調(diào)整為快速充電電流的25%。充電定時(shí)器重置并重新啟動，超時(shí)時(shí)間為快速充電持續(xù)時(shí)間的一半。頂充時(shí)定時(shí)器超時(shí)后，充電器進(jìn)入維護(hù)階段，向電池提供充電源電流的1/64。維護(hù)充電持續(xù)進(jìn)行，直到電源移除、電池移除或通過斷開TMR引腳使DS2711/DS2712進(jìn)入和退出暫停模式。

充電模式選擇

通過在啟動時(shí)測試LED2引腳來選擇充電模式。內(nèi)部電流源通過對LED2引腳進(jìn)行上拉和下拉操作來測試其狀態(tài)，以確定是高電平、低電平還是開路。推薦使用的上拉或下拉電阻值（如果使用）為100kΩ。在第7頁的并聯(lián)充電電路圖中，沒有顯示電阻，通過LED和270Ω電阻的電流路徑足以在上電時(shí)將LED2引腳拉高，以選擇并聯(lián)模式。可參考DC電氣特性表中的模式測試電流（IMTST）規(guī)格來選擇其他上拉值。

六、CC1和CC2輸出

CC1和CC2作為開漏輸出，驅(qū)動低電平以將充電源連接到電池。充電時(shí)，CC1和CC2輸出的行為取決于充電模式配置。在并聯(lián)模式下，CC1和CC2在交替的時(shí)間槽中驅(qū)動為低電平，任何時(shí)間槽內(nèi)充電源僅加載一個(gè)電池。在單節(jié)和雙節(jié)電池串聯(lián)模式下，僅驅(qū)動CC1。除了定期進(jìn)行阻抗和 -?V測試外，串聯(lián)模式下的快速充電階段是連續(xù)的，而不是像并聯(lián)模式那樣脈沖式充電。

并聯(lián)模式快速充電

參考圖4，CC1控制PNP開關(guān)，將電流輸送到插槽1中的電池；CC2控制PNP開關(guān)，將電流輸送到插槽2中的電池。快速充電時(shí)，電流依次輸送到每個(gè)插槽，充電脈沖在交替的時(shí)間幀中出現(xiàn)。一個(gè)插槽中的電池充電時(shí)，另一個(gè)插槽中的電池處于放松狀態(tài)，有效快速充電電流為充電源電流限制值的48.4%。并聯(lián)配置每32個(gè)時(shí)鐘周期跳過一個(gè)充電脈沖，以便獨(dú)立測試開路和閉路電池電壓（分別為VOFF和VON）。由于每個(gè)電池的充電過程是獨(dú)立的，一個(gè)電池可能會比另一個(gè)電池先完成充電階段。同時(shí)插入的一對電池中，充電更充分的電池可能通過 -?V終止快速充電，然后進(jìn)入頂充階段，而充電較少的電池繼續(xù)快速充電。如果插入了一個(gè)不合適或有故障的電池（如堿性電池）和一個(gè)合適的電池（鎳氫或鎳鎘電池），有故障的電池將停止充電，而合適的電池將充滿電。

串聯(lián)模式快速充電

參考圖3，CC1控制PNP開關(guān)，將電流輸送到電池。在串聯(lián)模式下，根據(jù)選擇的是單節(jié)還是雙節(jié)電池串聯(lián)模式，可以為1或2節(jié)電池充電?？焖俪潆姇r(shí)，電流幾乎連續(xù)輸送到電池，有效快速充電電流約等于充電源的電流限制值。串聯(lián)配置每32個(gè)時(shí)鐘周期短暫停用CC1，以便獨(dú)立測試每個(gè)電池的VOFF和VON。一秒的停用時(shí)間使占空比為0.969，因此有效電流約等于充電源電流限制值的97%。在雙節(jié)電池串聯(lián)模式下，會分別評估每個(gè)電池的特性；但如果確定任何一個(gè)電池不合適或有故障，充電將停止。在單節(jié)電池充電串聯(lián)模式下，CC1像雙節(jié)電池串聯(lián)模式一樣控制充電電流，通過VP1和VN1之間的電壓監(jiān)測電池電壓，通過THM1監(jiān)測溫度，VP2和THM2引腳在單節(jié)電池串聯(lián)模式下可以不連接。

七、示例容量和充電速率

并聯(lián)充電示例

以一個(gè)1700mAh的電池為例，使用1A的穩(wěn)壓充電源進(jìn)行充電。快速充電時(shí)，電池的占空比為0.484，有效充電電流為0.484A，C速率為0.285°C（或C/3.5）。預(yù)充電和頂充時(shí)，占空比為0.125，有效平均電流為125mA，C速率為