可编程快速充电管理芯片MAX712 mAX713及其应用

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
    1. 引言
    MAX712/ MAX713系列是MAXIM公司生产的快速充电管理芯片，MAX712/ MAX713芯片适合1～16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 to 4C可设定，涓流充电速率为C/16。
    2. 功能特性
     MAX712/ MAX713的特性相似，差别在于MAX712在检测到dv/dt变为零时终止快速充电模式，而MAX713是在检测到dv/dt变为负时终止快速充电模式；MAX712/ MAX713都能充电1～16节，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的引脚功能描述如下：
² 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VLIMIT×（电池数量n），且VLIMIT不能超过2.5V，当VLINIT接V+时，Em=1.65n（V），通常将VLIMIT与VREF连接。
² BATT+：电池组正极。
² PGM0：可编程引脚。
² 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1～16。
² 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。
² 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TLO。
² TEMP：温度传感器输入。
² FASTCHG：快速充电状态输出。
² 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33min～264min.
² PGM3：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。
² CC：恒流补偿输入。
² BATT－：电池组负极
² GND：系统地。
² DRV：驱动外围“PNP”。
² V+：分路调节器。V+对BATT－电压为+5V，为芯片提供分路电流（5～20mA）。
² REF：参考电压输出2V。
    4.编程应用
    4.1.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（见图4-1）， 1～16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。
    4.2. 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（参见表4-1、4-2）。从表4-1中可以看出，对于MAX712/MAX713来说，最大允许快速充电时间为264分钟，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4-3所示。此外，鉴于电池本生的固有特性（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小时，而实际时间通常为2小时30分钟左右。
    5. 工作原理
    5.1. 利用电压梯度充电
    图5-1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dv/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）。
5.2. 利用电池温度充电
    图5-2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5－3所示。分压电阻的阻值可根据参数计算。
    在本例中监测的是电池的相对温升，当T1、T2、T3采用相同特性的热敏电阻时，此温升范围将不随环境温度的影响，如果只监测电池的绝对温度可去掉T2和T3；如允许电池在低温时可快速充电，则需将R5、T3和0.022uF电容去掉，并且将TLO和BATT-相连。
6. 应用实例
    图6-1所示，由MAX713构成的10节1.2V 2000mAh的镍氢电池充电电路，它利用的是电压梯度监测充电，选择直流充电电源DC为16～24V；快速充电时间为264分钟，快速充电电流为IFAST=500mA；涓流充电电流ITRICKLET=IFAST/8 =500/8 = 62.5Ma。图示C1、C6为滤波电容，R1为限流电阻，设Dcmin=15V，用R1将V+端的电流限定在5～20mA范围内，
涓流充电或停止充电时LED熄灭。
 在一般应用中，当充电电池数量超过5～6节或充电电压比较高时，为了减小器件发热，应考虑采用开关模式（参考图6-2），鉴于在本应用中要求在充电期间同时还要对电池的负载供电，因此只能采用线性模式，而采用减小充电电流来控制器件的发热，但在设计中还需考虑Q1和Q2的散热问题，如增加散热片面积等。
7．结束语
    本文介绍的采用MAX713芯片设计的12V镍氢电池组充电电路比较简单适用，整个充电过程及状态显示均由MAX713单独实现，整个电源管理模块简单可靠，只是由于电池组数量较多而且又只能采用线性模式，因此对于Q1、Q2有一定的发热量，但通过加装散热器后得到了改善，现该电路已经在国内某便携式测量仪器中广泛应用，工作稳定可靠。