LTC4060：NiMH/NiCd電池的高性能線性快充方案

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電池充電管理是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于NiMH（鎳氫）和NiCd（鎳鎘）電池的充電需求，Linear Technology的LTC4060提供了一個完整的線性快充解決方案。本文將深入探討LTC4060的特性、工作原理、應(yīng)用以及相關(guān)設(shè)計要點。

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一、LTC4060的特性亮點

1. 通用性強

LTC4060是一款適用于單節(jié)、2節(jié)、3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)NiMH/NiCd電池的完整快速充電器控制器。無需固件或微控制器，簡化了設(shè)計流程。

2. 多種充電終止方式

支持通過–?V、最大電壓或最大時間進行充電終止，確保電池充電的安全性和可靠性。

3. 無需額外元件

不需要檢測電阻或阻塞二極管，同時具備自動充電功能，可保持電池始終處于充電狀態(tài)。

4. 可編程充電電流

充電電流可編程范圍為0.4A至2A，在2A時充電電流精度可達±5%。若使用外部檢測電阻，充電電流還可超過2A。

5. 電池自動檢測與預(yù)處理

能夠自動檢測電池的插入和移除，對于深度放電的電池，會先進行預(yù)充電。

6. 溫度保護與狀態(tài)指示

支持可選的溫度合格充電功能，具備充電和交流電源狀態(tài)輸出，可驅(qū)動LED指示燈。

7. 低功耗模式

具有自動睡眠模式，移除輸入電源時，電池漏電可忽略不計（<1μA），還支持手動關(guān)機。

8. 寬輸入電壓范圍

輸入電源范圍為4.5V至10V，適用于多種電源環(huán)境。

9. 封裝多樣

提供16引腳DFN和TSSOP封裝，滿足不同的設(shè)計需求。

二、工作原理剖析

1. 充電電流設(shè)置

通過連接在PROG引腳和GND之間的外部電流編程電阻來設(shè)置充電電流。放大器A1使PROG引腳產(chǎn)生1.5V的虛擬參考電壓，編程電阻的電流通過N溝道FET流向電流分配器。電流分配器根據(jù)電池電壓，為預(yù)充電（I/5）或快速充電（I）產(chǎn)生合適的電壓。

2. 充電過程控制

• 預(yù)充電：當(dāng)合格充電開始時進入預(yù)充電狀態(tài)。若電池電壓低于900mV（VFCQ），LTC4060以最大編程充電電流的五分之一進行充電，持續(xù)檢查電池電壓，直到達到VFCQ，進入快速充電狀態(tài)。
• 快速充電：平均電池電壓超過VFCQ后，進入快速充電狀態(tài)，以外部編程電阻設(shè)置的最大電流進行充電。若外部熱敏電阻檢測到溫度超出5°C至55°C范圍，充電將暫停，溫度恢復(fù)正常后繼續(xù)充電。
• 充電終止：快速充電開始后，經(jīng)過初始電池電壓穩(wěn)定延遲期（見表1），啟用基于電壓的終止（–?V）。內(nèi)部1.5mV分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器在每個電池電壓采樣間隔測量電池電壓，當(dāng)電池電壓從峰值下降至少VMDV（由CHEM引腳選擇），且連續(xù)四個采樣間隔都是如此時，充電終止。此外，充電時間限制器和電池過壓檢測器提供備用終止方式。
• 自動充電：充電完成后，若啟用可選的可編程自動充電功能，當(dāng)電池電壓下降到設(shè)定水平時，將自動從充電合格狀態(tài)重新啟動充電循環(huán)。

3. 其他功能

• 欠壓鎖定（UVLO）：內(nèi)部UVLO電路監(jiān)測輸入電壓，當(dāng)VCC低于欠壓退出閾值時，充電器處于睡眠模式；高于該閾值時，進入活動模式。UVLO閾值取決于SEL0和SEL1引腳選擇的串聯(lián)電池數(shù)量，且具有100mV的滯回。
• 手動關(guān)機控制：將SHDN引腳置低，可使LTC4060進入低靜態(tài)電流關(guān)機狀態(tài)，充電被禁止，內(nèi)部定時器復(fù)位，振蕩器禁用。
• 充電合格檢查：退出睡眠或關(guān)機模式后，LTC4060會檢查電池是否存在以及電池溫度是否合適（若使用熱敏電阻），滿足條件后才開始充電。

三、應(yīng)用信息

1. 編程充電電流

電池充電電流通過連接在PROG引腳和GND之間的外部編程電阻設(shè)置，公式為(I{MAX }=left(frac{1.5 V}{R{PROG }}right) cdot 930)，或(R{PROG }=frac{1395}{I{MAX }})。為確保穩(wěn)定性，建議使用1%金屬膜電阻，PROG引腳電容應(yīng)限制在約75pF。

2. 編程定時器

LTC4060的內(nèi)部定時由連接在TIMER引腳的外部電容編程的內(nèi)部振蕩器決定。充電時間限制由以下公式確定：(t{MAX }( Hours )=1.567 cdot 10^{6} cdot R{PROG }(Omega) cdot C_{TIMER }(F))。應(yīng)避免過短或過長的超時時間，具體時間可參考電池制造商的建議。

3. 電池溫度傳感

溫度傳感是可選功能，將NTC引腳接地可禁用溫度合格功能。使用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻進行溫度傳感時，應(yīng)將熱敏電阻靠近電池放置，并避免靠近外部PNP晶體管。

4. 電源要求

VCC引腳的直流電源輸入必須在適當(dāng)范圍內(nèi)，LTC4060可抑制60Hz或120Hz的電源紋波，但需注意瞬時紋波電壓應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。為減少紋波對電池監(jiān)測電路的影響，可采用Kelvin連接方式。

5. 外部PNP晶體管選擇

外部PNP晶體管應(yīng)具備足夠的β值、擊穿電壓、低飽和電壓和足夠的功率耗散能力。為提供2A充電電流，最小β值應(yīng)為50。同時，需考慮晶體管的飽和電壓和功率耗散，以確保充電器正常工作。

6. 熱管理

LTC4060具備內(nèi)部過熱保護功能，當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過約145°C時，充電停止，進入關(guān)機狀態(tài)。用戶應(yīng)確保在正常工作條件下，PNP晶體管的最大額定結(jié)溫不被超過。

四、典型應(yīng)用

1. 全功能2A充電器應(yīng)用

圖2所示的應(yīng)用利用了可選的溫度傳感和外部可編程自動充電功能，還配備LED指示燈顯示充電狀態(tài)和輸入電源是否充足。

2. 功率路徑控制

在快速充電鎳電池時，適當(dāng)?shù)墓β事窂娇刂坪苤匾D3展示了一個帶有功率路徑控制的1A充電器，確保系統(tǒng)負載始終供電，且正常系統(tǒng)操作和負載瞬變不會影響充電過程。

3. 涓流充電

由于自動充電功能的存在，通常不需要涓流充電功能。但LTC4060在電池移除檢測方法中提供了適度的上拉電流（IBRD）。若需要額外的涓流充電電流，可使用圖4所示的簡單電路。

4. 擴展充電電流

通過將外部電流檢測電阻RISET與內(nèi)部電流檢測電阻并聯(lián)，可將充電電流擴展到2A以上。但需注意，擴展電流會導(dǎo)致充電電流的變化性增加。

5. 反向輸入電壓保護

在某些應(yīng)用中，需要對反向電源電壓進行保護。可根據(jù)情況使用串聯(lián)阻塞二極管或P溝道FET（如圖6所示）。

五、總結(jié)

LTC4060是一款功能強大、設(shè)計靈活的NiMH/NiCd電池充電器控制器，適用于多種應(yīng)用場景。通過合理選擇外部元件和設(shè)置參數(shù)，可實現(xiàn)高效、安全的電池充電管理。在設(shè)計過程中，需充分考慮充電電流、定時器、溫度傳感、電源要求、外部晶體管選擇和熱管理等因素，以確保充電器的性能和可靠性。你在使用LTC4060進行設(shè)計時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。