隨著各種可攜式電子產品的普及化，鎳氫、鎳鎘電池用快速充電器成為生活中的必需品，然而大部份的充電器都無法作單數電池充電，因此本文接著將要介紹可作單數電池充電之快速充電器。

設計規格

(表一)是不受電池容量、放電狀態差異，可作單數電池快速充電的「Active Charger」充電器的設計規格一覽。鎳氫、鎳鎘電池用於快速充電器設計上常見的問題是電池盒的接觸阻抗，尤其是電池盒的負極端經常因阻抗發熱溶化變形。此外接觸阻抗會造成不穩定的電壓下降，形成快速充電器的另一項障礙，因此大部份的充電器進行充電時都會利用方式監控電池電壓，一旦充電電壓開始減緩就立即停止充電動作，然而實際上該電壓變化量非常微小，而且電池電壓的檢測值包含接觸阻抗造成的不穩定電壓，因此方式經常造成所謂的誤動作現象。

表一　Active Charger設計規格一覽

項目	規格
輸入電源	DC5V±5％，2.1A以上
電池種類	鎳氫、鎳鎘電池
電池容量	可承受1A充電電流的充電電池
充電電壓	公稱值1.2V
充電輸出數量	4個（不可串聯）
充電電流	‧一般模式：4個各1A ‧Turbo 1模式：單顆單獨充電時1.6A ‧Turbo 2模式：單顆單獨充電時2.0A
開始充電	電池裝填於專用電池盒，連接電池後自動檢測
停止充電條件	‧取出電池時 ‧檢測時 ‧total timer的time up（180分） ‧合併使用break through方式與dV down方式
檢測分解能力	full scale約2.18V時為10bit（2.1mV）
檢測間隔	1秒
預備充電	禁止- 檢測時間(3分)
裝填檢測時間	1.5秒
顯示充電狀態	針對各電池，LED點滅閃爍
Monitor輸出	利用serial間隔100ms，輸出內部主要變數

設計步驟

(圖一)(a)是三號NiMH（1800mAH）充電電池以1C（1.8A）充電時手指接觸電池，電池盒兩端與數位多功能電錶連接，並用EasyGPIB收集資料，藉此測試接觸阻抗對電池電壓影響的結果。若與圖一(b)未作手指接觸的充電電池的測試結果比較時，圖1(a)的電壓變動非常明顯，不過兩圖的垂直scale幾乎完全相同，這意味著上述兩方式都無法利用檢測電池電壓。

《圖一　使用電池盒的電池電壓變化》

Active Charger利用total充電timer與檢測兩種方式檢測電池的充電完成度。為增加電池的適用範圍，所以加長充電timer的設定時間，相對的充電完成度幾乎完全依賴的檢測，有鑑於此為提高檢測精度，因此開發下列兩種方案提供使用者選擇：

break through方式

電壓下降主要是接觸阻抗與充電電流兩者相乘的積所造成，基本上零接觸阻抗並無法達成，因為充電電流若變成零，理論上就不會發生電壓下降現象。如(圖二)所示檢測電壓前與檢測電壓後，暫時停止充電電流所謂的「break through方式」。

由於本快速充電器具備特殊的充電控制技術，因此無法使用MAX713特殊IC，必需改用8位元微處理器PIC16F876。

《圖二　break through方式的動作特性 》

(圖三)是利用圖一介紹的電池與Active Charger，進行充電時的充電特性。基本上它是在充電中途用手指觸摸電池，使接觸阻抗產生變化，接著利用幾乎不會對system DMM自動檢測造成任何影響的R655檢測充電電壓，由於DMM的測定值內包含電池盒與connector產生的電壓下降成份，因此實際電壓變動非常大，不過對PIC微處理器的A-D變換值而言，完全不會造成任何不良影響，由此可知採用break through方式，可以獲得正確的電池電壓變化資料。

此外本快速充電器是利用serial信號，依序輸出PIC微處理器內部變數狀態，因此可輕易利用PC監控（monitor）PIC微處理器內部狀況，如圖三所示。具體方法是利用DMM檢測電壓，再經過GP-IB與Easy GPIB擷取資料，並用Excel同步觀測設備內外的狀態。值得一提的是Easy Comm.與Easy GPIB是自行開發的free tool。

《圖三　以1.6A充電時A-D變換值與利用DMM的電池電壓測定值》

dV counter方式

雖然接觸阻抗的影響可以利用break through方式排除，不過充電電流如果發生變動，電池電壓也會隨著改變，如此一來break through方式就無法發揮預期效果，此外本快速充電器被設計成可作充電電流切換，因此必需採用其它對策，才能有效克服接觸阻抗的影響。

(圖四)是充電電池的充電曲線實例，由圖可知由於充電模式的切換，電池電壓會朝下方移動，造成檢測電路誤動作與停止充電等後果，為防止這種現象因此出現所謂的「dV counter方式」。

若與前測定值比較，dV counter方式即使發生變化，dV counter都可控制在±1範圍內，亦即在＋1～－１之間，如果是0的場合便停止counter，因此不會有低於0的困擾。

《圖四　電池電壓的測定值成斷續性變化》

(圖五)(a)是正常狀態時的電池電壓與dV counter的變化，由圖可知電壓變化出現增加趨勢時，雖然dV counter維持0狀態，不過一旦出現電壓變化減緩趨勢時，電壓變化會隨著檢測時段逐漸成為counter up狀態，到達一定值（大約是4）時，檢測便結束充電動作。

圖五(b)是充電途中檢測值朝下方移動時的dV counter動作特性，由圖可知對dV counter的影響，不因電壓變動減緩始終維持1 counter，因此幾乎不會影響的檢測。如果的檢測改用微分電路，檢測電路在圖五(b)狀態時，就會發生誤動作。有關dV counter，理論上即使檢測電壓產生巨大變化，dV counter都能控制在±1範圍內。

《圖五　充電時電池電壓與dV counter的動作特性》

(圖六)是實際充電電壓（A-D轉換值）與dV counter的動作特性，由圖可知雖然充電中途如果改變充電電流，檢測值會朝下方移動，不過即使如此對dV counter完全沒有影響。一旦接近，dV counter值會呈現上升傾向，直到4 counter時才停止。由於本快速充電器停止充電後，必需重新設定變數所以無法描繪最終值，不過根據以上實驗結果顯示dV counter方式，基本上已經展現預期的動作效果。

《圖六　A-D轉換與dV counter的動作特性》

電路結構

(圖七)是本快速充電器的電路圖。雖然利用PIC微處理器可使電路結構變得非常簡潔，不過本電路仍可作各種複雜模式的充電動作。有關PIC微處理器周邊電路的特性，基於篇幅限制無法詳細說明。電路圖右側兩個對稱部份是本快速充電器的主要電路。

《圖七　Active Charger的電路圖》

(圖八)是主要電路概要說明圖，雖然它是由block 0與block 1所構成，不過兩個block的動作特性完全相同，因此只介紹block 0的動作特性。

圖八的與是簡易定電流電路，該電路利用信號CGH12控制2A充電電流的ON/OFF，此外必需注意的是必需作散熱設計。（PASS 1）與（PASS 2）是電池盒未裝設電池時，可將充電電流作bypass的FET元件。(圖九)是未裝設電池2時，充電電流的流動方式。由於break through方式檢測電池電壓，是在與 ON狀態下進行，所以與的電壓都可獲得GND level基準。

《圖九　電池2未裝設時，充電電流的流動方式》