以下本文將針對鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）與鋰離子（Li-Ion）可充電電池來討論它們的特性，並解釋如何在不需要使用微控器的情況下安全快速地進行鎳氫與鋰離子電池的充電。

《圖一　記憶效應與惰性效應的比較》

《圖二　這些曲線顯示了進行鎳氫電池充電時的典型電壓(a)與溫度(b)變化情形》

可充電電池的型式

1980年代中期的便攜式設備，例如DECT無線電話、隨身聽以及電動刮鬍刀等絕大部分都採用鎳鎘電池來提供電源，稍後鎳氫與鋰離子電池被開發出來並逐漸廣泛受到使用，一直到1990年代末期，請參考(表一)。

鎳鎘電池由於比鎳氫以及鋰離子電池便宜，因此在低價應用上特別普及，鎳鎘電池提供了最大的放電電流，因此大多使用在短暫時間內需要較大功率的應用上。

另一方面，鎳鎘電池早期則深受會影響電池容量記憶效應（memory effect）的困擾，不過目前這個問題已經獲得解決，如果鎳鎘電池在沒有完全放電的情況下重新充電，那麼部分位於陽極鎘端可能厚達100μm的活性物質會因未被使用而開始結晶，因此造成本身不再參與化學反應，全新電池陽極的鎘結晶厚度大約為1μm。

所產生的電池記憶效應會帶來容量與終端電壓更低的電池電源輸出，造成鎳鎘電池會比預期時間更早達到最低可用終端電壓，也就是電池的終止點，請參考(圖一)。另一個鎳鎘電池的缺點則是活性材料中所添加的鎘，因此歐盟法規2000/53/EG就規定從2005年12月31日起禁止販售鎳鎘可充電電池。

鎳氫電池比起鎳鎘電池雖然更加環保，但成本卻較高，雖然放電電流較小，但同樣受到惰性效應（lazy effect），也就是鎳鎘電池中記憶效應的較微弱版本影響，惰性效應也會因結晶化而發生，但只發生在鎳而不是鎘的部分，惰性效應與記憶效應都會造成可充電電池的容量無法被全部使用，不過這兩者目前都可以透過使用具備放電功能的充電器來加以消除或避免。

鋰離子可充電電池雖然價格更高，但卻擁有大上許多的容量密度，因此在同一體積下可以提供更多的能量，這使得它們特別適合小型化與高度便攜式應用。

鎳氫可充電電池的獨立型快充充電器

就算是喜歡鋰離子電池的人，都無法否認鎳氫電池由於在成本上要比鋰離子電池低上許多，同時提供有MP3播放器、附加閃光燈以及腳踏車燈等所常採用的標準AA與AAA尺寸，因此較為受到歡迎。

鎳氫可充電電池的溫度與終端電壓會隨著電池的充電而持續上升，接著在完全充飽時下滑，請參考(圖二)。因此鎳氫電池充電器的主要工作就是找出這個反折點並中斷充電動作，或由快充轉換為涓滴充電（trickle charge），此外也會在充電過程中加入溫度與電壓的獨立監測電路來加強安全性。

DS2711/DS2712系列充電控制器除了擁有這些功能外還能夠獨立運作，因此不需微控器或微處理器的監控，這些產品在設計上可以用來進行單顆或者以串聯或並聯方式安排的標準一對AA或AAA電池充電，DS2711以線性控制的方式運作，DS2712則採用切換式控制。為了延長運作壽命並避免電池受到傷害，這些充電控制器擁有四種充電模式，分別為預充、快充、慢充以及涓滴充電，以慢充模式來說，充電速率會在電池充飽後立即切換到更低的速率，例如在DS2711上為25％。

除了以上所提到的監測功能外，DS2711/DS2712充電控制器也內建有可以透過連結TMR接腳的一個外部電阻來設定最長充電時間的計時器，例如快充模式為0.5到10個小時，慢充時間則為所設定最長充電時間的一半，大約為0.25到5個小時，依所需充電時間來計算電阻值的公式為：

R ＝ 1000Tapprox/1.5

如果在快充模式下超過最長充電時間，那麼充電控制器會由快充切換到慢充並將計時器歸零，接著計時器開始計數慢充時間，在時間到達後，充電控制器便會由慢充模式切換到涓滴充電模式，請參考(圖三)。

VP1與VP2連接點可以用來監測電壓，THM1與THM2搭配上熱敏電阻則可以用來監測每個可充電電池充電時的溫度，TMR計時器與RSNS感測器電阻接腳可以用來設定充電時間與充電功率，DS2711/DS2712的另一個功能是可以偵測目前進行充電的充電電池是否有問題，或者是不小心在充電器上安裝了鹼性電池而非可充電電池，如果發生這樣的情況，充電器便會自動停止運作。

《圖三　在這個標準應用電路中，DS2711電池充電控制晶片可以對兩顆串聯的鎳氫電池進行充電》

如何偵測鹼性電池？

全新鎳氫可充電AA電池的標準內部電阻大約在30mΩ到100mΩ之間，鹼性電池則通常在200mΩ到300mΩ，甚至可能會達到700mΩ，依充電狀態而定，錯誤的可充電電池則擁有高上許多的內部電阻，因此DS2711/DS2712充電控制器可以每隔30ms透過所測得的電池電壓VP1與VP2以及測定的充電功率計算出電池的內部電阻值。

用來做為電池測試以及臨界點設定的CTST接腳，可以測量用來計算可充電電池內部電阻值的電壓大小VCTST，VCTST是充電電流（0.7A）以及非鎳氫電池150mΩ內部電阻臨界點的乘積，設計人員也應該在過程中監測電源的電阻，通常為2mΩ，計算外部RCTST電阻大小的公式為：

RCTST ＝ 8000 [V2/A]/VCTST

其中VCTST ＝ ICharge × R

因此

RCTST ＝ 8000 [V2/A]/(0.7A × (0.150Ω ＋ 0.2Ω)) = 75kΩ

如果超過VCTST的大小，在此為> 0.106V，那麼就代表了電池的內部電阻高於0.152Ω，這時晶片會觸發一個邏輯或光學錯誤訊息輸出並停止充電程序，請參考(圖四)。

《圖四　這個流程圖描述了圖三中晶片所採用的充電程序》

鋰離子可充電電池的獨立型快充充電器

對鋰離子可充電電池進行充電要比鎳氫電池更加簡單，原因是並不需要監測電壓變化的速率（dV/dt），同時由於鋰離子可充電電池對過高的電壓相當敏感，因此充電過程中需要精確的4.2V ± 50mV的電源以及穩定的充電功率，對鎳氫電池來說，在主要的電壓監測功能外，充電器本身應該擁有第二重監測功能，如溫度與計時器等。

鋰離子充電電池的獨立型充電控制器MAX8601內建有由內部控制的電壓源Vbatt，在25℃時為4.2V ± 0.021V，在40℃到85℃範圍內則為4.2V ± 0.034V，充電器在對電池進行充電時可以透過Vbatt連接維持穩定的輸出功率，請參考(圖五)，SETI接腳上的外加電阻以及CT接腳上的外加電容可以用來設定充電功率以及內部計時器，充電器同時也使用了NTC型電阻來監測可充電電池的溫度。

MAX8601充電控制器的一個主要好處是能夠透過外部市電變壓器（DC接腳）或USB連接埠來進行充電，請參考(圖六)。USB連接埠可以提供100mA或500mA的充電電源，由USEL接腳上的設定決定，晶片會自動進行外部電源的選擇，如果兩個電源都可使用，那麼它會優先透過市電變壓器進行電池充電，兩個電源都必須擁有最低4.5V的電壓輸出。

《圖五　MAX8601獨立型鋰離子電池充電控制器的標準應用電路》

《圖六　這個流程圖描述了圖五中晶片所採用的充電程序》

結語

DS2711與MAX8601為具備多重監測功能，如電壓、電源、溫度、計時器等，不需微控器或電源保護市電變壓器供電的獨立型充電控制器，這兩款元件都能夠提供清楚簡單的外部切換功能。

---作者為Maxim美商美信公司應用工程師---