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智能型Ni-Cd电池充电控制电路ATC105

作者:sylar时间:2009-08-26浏览次数:5462

  智能型Ni-Cd电池充电控制电路ATC105

  1. 引言

  Ni-Cd电池作为一种可充电电池,由于其电阻小、放电大、电压稳、寿命长、使用方便而得到广泛应用。所以各种各样的Ni-Cd电池充电器,充满了市场,据研究,市场上常见的Ni-Cd电池充电器,大多数采用半波整流电路对电池进行准恒流式的充电,充电时间需要根据Ni-Cd电池的容量(即毫安小时)、充电电流大小以及电池的热效应因素进行估算,然后在人工控制下进行充电。所以,一有疏忽,就会造成过度充电,使Ni-Cd电池受到损伤,很难判断Ni-Cd电池是否已经充足了电。即使一些高档次的充电器,在充电电路上做了周密的设计,改善了充电的性能,增强了充电的安全性,但是,对判断Ni-Cd电池是否已经充足了电仍然束手无策。

  近年来,国外有人经过大量研究发现,Ni-Cd电池在充电过程中,当其电能充足或者说达到充电饱和点的一瞬间,Ni-Cd电池的电动势会产生20mV的下跌(如图1所示)。如果我们能侦测出这一微小和瞬间变化,再将之变换成控制信号,那就能实现充电的自动控制。研究者将此技术称为负电压斜充自动侦测法或Δ侦测法。日本利用这一技术研制成ATC105智能型镍镉Ni-Cd电池充电控制集成电路。使用ATC105制作的充电器,能圆满地解决Ni-Cd电池是否充足了电的问题,可对Ni-Cd电池实现无损伤充电,有效地保护了电池的各项性能指标。电池在充电过程中,用户可尽管放心地去做其他事情,绝对安全。

  

 

  2. ATC105的主要特点

  ATC105是一种理想的充电器芯片。它的特性归纳起来有以下几点:

  ●电池快速充电时,以负电压斜率侦测法自动侦测电池电压之饱和点;

  ●当电路有短路、开路或其他异常状况时,立即自动切断电路,以确保电路的安全;

  ●具有两种充电方式,快速充电和慢速充电可自动切换;

  ●在充电状态中,可实施放电功能;

  ●具有超温和定时保护功能,可避免因电池故障而无法达到充电饱和点或者充电过程中电池温度过高而产生意外;

  ●温度保护设定可根据外部电阻予以调整;

  ●内藏180分钟定时器;

  ●快速充电起始,5分钟之内不予以侦测;

  ●能直接驱动LED和蜂鸣器,随时显示工作状态、快速充电、慢速充电、放电或电池异常等;

  ●电池电压不足时将发出警告信号。

  3. ATC105的原理与引脚功能

  

 

  ATC105的内部结构如图2所示,它采用微处理器实现自动侦测、采样、比较、分析和控制。其中电压侦测电路是ATC105的关键电路,该电路在微处理器控制下,每隔一定时间通过脚5采集一次被充电电池的端电压,经A/D转换器将其转换成数字信号,然后送入比较器进行比较。如果发现前次采集的端电压数据比后一次大,则将其存入芯片内的RAM中,只要发现有-20mV的下跌值,微处理器就会立即发出控制信号。为了能正确地判断这-20mV的变化,ATC105芯片电路还设置了一个8位的D/A转换网络,由它产生一个Δ侦测所需的基准比较电压。当供电电源为5V时,此基准比较电压为20mV。这个D/A转换网络的电阻需要外部连接,最好采用电阻排ZR2R,以简化充电器周边线路。可由引脚23(PWM)送出的电平决定快速充电和慢速充电。通常,开始充电时,ATC105的引脚23输出高电平,去控制周边电路,令供电电源向Ni-cd电池充电,5分钟后,其引脚5开始侦测,只要侦测到-20mV,芯片内的微处理器便立即将引脚23的输出电平由原来的高电平变成频率为1kHz、占空比为1∶40的脉冲方波(见图3),此时充电方式由快速充电转为慢速充电,进入慢速充电状态。另外,ATC105内部还设置了一个定时器电路,最大定时180分钟,当快速充电满180分钟以后,不管电池是否已经充足电,充电器都将自动地转入慢速充电状态。

  ATC105采用双列直插DIP塑料封装,它的封装形式及管脚排列如图4。引脚功能如表1所列。

  

 

  

 

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  4. 充电器线路

  使用ATC105的充电器实用线路如图5所示,需要说明的是,为了降低成本,ATC105采用串联充电方式,它能同时向n(n≥2)节电池充电,但是,不同型号的Ni-Cd电池具有不同的容量及不同的充电电流,所以在具体使用时需对充电器有关的元件稍作调整,以适应实际情况。

  

 

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  4.1 充放电操作

  ATC105有两种充电方式。开始充电时,ATC105的引脚23输出一个高电平,通过晶体管Q1的激励,使晶体管Q2处于导通状态,供电电源对被充电电池充电,进入快速充电状态,LED1指示灯点亮。在快速充电5分钟后,脚5便开始侦测,一旦侦测到-20mV的下跌,ATC105内的微处理器就立即改变了引脚23的输出电平,此时,晶体管Q1和Q2都转入截止状态,而充电电流降到原来的快速充电电流的1/40,进入慢速充电状态,此时LED2指示灯点亮。通常,在充电前,应先对被充电电池行放电,ATC105具有这种功能。具体操作也很简单,只需按一下AN1按钮开关,使引脚1接地,引入一个低电平,使引脚22输出由低电平转为高电平,从而使晶体管Q3和Q4导通,接着对被充电电池实施快速放电,此时指示灯LED1和LED2同时点亮。一般地,当ATC105引脚3侦测到1.025V时,表示该电池的电能即将耗尽,此时,引脚22输出电平由高电平返回低电平,结束放电,进入充电状态。必须指出,在充电过程中,再按一下AN1按钮开关,ATC105立即中止引脚23的输出,从而启动引脚22输出,令电路从充电状态转入放电状态。这样连续多次放电、充电循环操作,可以较为彻底地消除Ni-Cd电池记忆的小电池,以延长电池的使用寿命。

  众所周知,每节Ni-Cd电池标称容量和推荐的充电电流因牌号不同而有差异,例如:日本生产的500AANi-Cd电池的标称容量为500AH,标称电压为1.2V,推荐充电电流在快速充电时为150毫安(5小时),而慢速充电时为50mA(15小时)。必须指出,使用ATC105智能型充电器进行快速充电时,充电电流应取该电池推荐充电电流的二倍。这样,对500AANi-Cd电池来说,应该是300mA。但充电时间应减半,只需2.5小时。因为,ATC105内设置有一个180分钟的定时器,最大充电时间不得超过3小时,一旦充电达3小时,充电器就自动转入慢速充电状态,这样,该电池就永远无法充足电能。所以,务必注意,在3小时以内用快速充电方式将电池充电到饱和点,然后用慢速充电方式维持一段时间。由于各种牌号的Ni-Cd电池推荐的充电电流各有差异,所以,ATC105允许对周边元件(这里是电阻R1)作一调整,以适应不同规格各种牌号的电池。通常,放电电流允许比充电电流稍大一些,对于日产的500AA电池来说,通常取500~800mA作为放电电流。ATC105也允许通过调整周边元件(如R2)来调节快速充电电流的大小,以适应不同规格不同牌号的Ni-Cd电池。

  4.2 电池温度监测控制

  ATC105支持电池温度监测控制功能,ATC105的引脚4来完成侦测工作。如图5所示,在4脚接入两个电阻,一个热敏电阻NTC,另一个是普通电阻RT,两者组成分压网络,当热敏电阻之阻值随着温度的变化而变化时,其分压电压亦随之发生变化,这可在4脚上产生不同的电平,当此分压值大于VDD/2(VDD为供电电压)时,ATC105内的保护电路立即发出警告信号。通常,Ni-Cd电池告警温度定为40℃,由此查阅NTC在40℃时的阻值,然后,据此确定RT之阻值,即RT=1.05×RNTC,在图5所示电路中,只需用负温度系数的热敏电阻就可以了。

  4.3 Δ解析度

  另需指出,ATC105对被充电电池的节数多少有很大的灵活性,可以从两节至任意节数。一次被充电电池节数不同,需调节引脚3和5脚的电压,以保证侦测到最后一节电池的ΔV电压后,由快速充电状态转入慢速充电状态。这里,ATC105的脚3和脚5两端连接了两个由电阻CR1和CR2组成的分压网络,根据Ni-Cd电池的内阻特性,CR2通常取9.1kΩ,而CR1则随充电电池节数的变化而变化,可以按RCR2=4.3×(n-2)kΩ计算,这样,通过CR1和CR2的分压作用,可以保证其电压在1.250~4.062V之间,但需指出,由于R1只有4.7Ω,远远小于CR1,所以它在分压中的作用微不足道,可以忽略不计。同样,由于CR1和CR2的分压作用,在5脚侦测到的电压值ΔV也将被分压,此时,ATC105会根据脚3侦测到的电压值进行计算,自动调节ΔV的解析度,这样,引脚3侦测电压VP3与电池端电压VBA之间的关系如下:

  VP3=VBACR2/(CR1+CR2)

  引脚5侦测到ΔV与电池端电压ΔVVB为:

  ΔVBA=ΔVP5(CR1+CR2)+CR2,

  式中,ΔVP5=20mV

  这样,便可得到ΔV解析度与电池节数的关系。还须注意以下两点:

  第一,不能将不同型号、不同容量的电池放在一起充电;

  第二,ATC105出厂时,是在两节电池充电的条件下进行检测的,所以在两节电池充电时,电阻CR1应等于零,可用短导线将其短接。D/A转换网络的外接电阻排ZR2R是为了节省充电器的体积而设置的,应选用体积小的电阻排,最好不要用普通电阻自行联接构成电阻排,否则,精度难以保证,影响D/A转换器的基准参考电压。



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