單節鎳氫電池充電器DS2710的技術剖析與應用指南

一、DS2710概述

DS2710是一款專為低電流便攜式應用中的單節鎳氫（NiMH）電池充電而設計的理想芯片。它的輸入可以是USB電壓源或5V穩壓適配器。該芯片通過監測溫度、電壓和充電時間，為單節NiMH或鎳鎘（NiCd）電池提供合適的快速充電控制算法，還具備電池測試功能，能檢測出有缺陷或不適合充電的電池，如堿性原電池。

文件下載：DS2710.pdf

二、應用場景

DS2710適用于多種小型可充電設備，如語音記錄器、無線鼠標和電池供電的玩具等。

三、特性亮點

3.1 充電功能

• 支持單節NiMH電池充電，采用滯回控制技術的開關模式拓撲。
• 對深度放電的電池進行預充電，以 -ΔV 終止快速充電，靈敏度典型值為2mV。
• 監測電壓、溫度和時間，確保安全和二次終止充電。

3.2 電流調節

• 專為外部pMOS設計，具備軌到軌MOSFET驅動器。
• 采用小巧的10引腳TDFN封裝（3mm x 4mm）。

四、電氣特性

4.1 絕對最大額定值

• 電壓范圍：-0.3V至+6.0V。
• 連續源/灌電流CS：20mA。
• 連續源電流STATUS：10mA。
• 工作溫度范圍：-40°C至+85°C。
• 存儲溫度范圍：-55°C至+125°C。

4.2 推薦直流工作條件

• 電源電壓 (V_{DD})：4.0V至5.5V，環境溫度 (T_A) 為 -20°C至+70°C。

4.3 直流電氣特性

涵蓋了電源電流、欠壓鎖定閾值、輸出電壓等多項參數，例如電源電流 (I_{DD}) 在工作模式下典型值為250μA，最大值為1000μA。

4.4 電氣特性：定時

包括內部時基周期、CS輸出占空比、電池測試間隔等參數，如內部時基周期典型值為0.96秒。

五、引腳說明

六、充電算法詳解

6.1 充電算法概述

DS2710控制單節NiMH電池從穩壓充電源進行開關模式拓撲充電。芯片通過施加電源或退出SUSPEND狀態進行復位，進入PRESENCE狀態等待電池插入后開始充電循環。充電過程包括預充電、快速充電、TOP-OFF充電和維護充電等階段，同時在各階段進行電壓、溫度和充電時間監測，以防止過充。

6.2 各充電狀態分析

• PRESENCE狀態：當TMR引腳未浮空且 (V{DD} > V{UVLO}) 時進入，等待電池插入，電池插入且溫度在有效充電范圍內則進入預充電狀態。
• PRECHARGE狀態：檢測到有效電池電壓且溫度在有效范圍內時進入，以25%的占空比調節檢測電阻上的電壓降為113mV進行預充電，直到電池電壓超過1.0V進入快速充電狀態。若預充電時間超過30分鐘或電池溫度超過+50°C，進入FAULT狀態。
• FAST-CHARGE狀態：調節檢測電阻上的平均電壓為113mV，每31秒進行一次電池測試。通過 -ΔV 方法終止快速充電，進入TOP-OFF狀態。若電池溫度超過+50°C或電池電壓超過 (V_{MAX - CHARGE})，進入FAULT狀態。
• CELL TEST狀態：在快速充電期間每31秒執行一次，測量電池電壓和阻抗，若電池電壓下降超過2mV或16分鐘內電壓無增加，快速充電成功終止并進入TOP-OFF狀態。若阻抗超過閾值或電壓超過 (V_{MAX - OPEN})，進入FAULT狀態。
• TOP-OFF狀態：以快速充電速率的25%進行充電，充電定時器超時或溫度超過+50°C進入維護狀態。若電池電壓超過 (V{MAX - CHARGE}) 或 (V{MAX - OPEN})，進入FAULT狀態。
• MAINTENANCE狀態：充電正常完成或充電期間電池溫度超過+50°C時進入，以1.56%的占空比維持電池充滿狀態，直到電池移除、芯片電源循環或進入SUSPEND狀態。
• FAULT狀態：任何充電狀態下電池電壓超過 (V{MAX - CHARGE}) 或 (V{MAX - OPEN}) 等情況進入，CS引腳強制為高以防止充電，STATUS輸出以4Hz速率切換。
• SUSPEND狀態：通過浮空TMR引腳進入，CS輸出拉至VDD以禁用充電控制FET，恢復TMR連接后從PRESENCE狀態開始充電，所有定時器復位。

七、關鍵參數設置

7.1 充電電流調節

DS2710通過維持VN1和VN0引腳之間外部檢測電阻上的恒定平均電壓來調節充電電流，公式為 (V{SENSE} = V{IREF} - 0.5 × V{HYS - COMP} = 0.113V)（典型值）。檢測電阻可根據所需快速充電電流選擇，公式為 (R{SENSE} = 0.113V / 所需快速充電電流)。

7.2 充電速率選擇

快速充電速率為調節電流極限的0.969倍，TOP-OFF速率為調節電流的0.25倍，維護充電速率為調節電流的0.0156倍。

7.3 超時選擇

快速充電超時時間由TMR引腳連接到VSS的外部電阻設置，范圍為0.5小時至5小時，TOP-OFF超時時間為快速充電超時時間的一半。公式為 (t(分鐘) = 1.5 × R_{TMR}(Ω) / 1000)。

7.4 阻抗測試閾值選擇

DS2710在快速充電狀態下每31秒測試一次電池阻抗，檢測閾值可通過CTEST引腳連接到VSS的外部電阻設置，范圍為32mV至400mV，公式為 (V{TEST} = 8000 / R{CTEST})，阻抗閾值公式為 (阻抗閾值 = 70796 × (R{SENSE} / R{CTEST}))。

八、應用電路與布局

8.1 典型應用電路

圖5展示了一個典型的DS2710應用電路，用于從USB端口或其他5V充電源為NiMH電池充電。電路中Q1、L1、C2和D2構成開關降壓調節器電路，由DS2710的CS引腳控制。通過調節檢測電阻R9上的電壓來控制充電電流。

8.2 應用PCB布局

為確保應用電路成功，需遵循正確的布局規則。開關模式操作會產生快速電壓和電流瞬變，應注意減小開關回路面積，采用低ESR和ESL的電容器，對檢測電阻采用正確的Kelvin連接布局。

九、總結

DS2710是一款功能強大的單節鎳氫電池充電器芯片，具備多種保護功能和靈活的參數設置，適用于多種小型可充電設備。在設計應用電路時，需要根據具體需求合理選擇充電電流、超時時間和阻抗測試閾值等參數，并遵循正確的PCB布局規則，以確保充電過程的安全和穩定。你在使用DS2710進行設計時，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區分享。