MAXIM DS2711/DS2712：松散鎳氫電池充電器的卓越之選

在電子設備的世界里，電池充電器的性能直接影響著設備的使用體驗和電池的壽命。今天，我們就來深入探討一下MAXIM公司的DS2711和DS2712這兩款專為1或2節AA或AAA松散鎳氫（NiMH）電池充電而設計的充電器芯片。

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一、產品概述

DS2711和DS2712適用于系統內或獨立充電場景。它們通過監測溫度、電壓和充電時間，為鎳氫電池提供合適的快速充電控制算法。同時，芯片還具備電池檢測功能，能識別如堿性原電池等有缺陷或不適合充電的電池。此外，DS2711/DS2712支持串聯和并聯拓撲結構，可對每個電池進行獨立監測和控制，也支持鎳鎘（NiCd）電池的充電。

應用場景廣泛

這些芯片的應用場景十分豐富，涵蓋了桌面/獨立充電器（AAA/AA）、數碼相機、音樂播放器、游戲設備以及玩具等領域。

功能特性突出

• 靈活充電：可對1或2節鎳氫電池進行充電。
• 電池檢測：能檢測并避免對堿性電池充電。
• 預充電功能：對深度放電的電池進行預充電。
• 快速充電終止：采用 -?V 終止法進行鎳氫電池的快速充電，靈敏度為2mV（典型值）。
• 多參數監測：監測電壓、溫度和時間，確保充電安全和二次終止。
• 充電電流調節：DS2711采用線性控制，DS2712采用開關模式控制。
• 驅動元件多樣：可驅動pMOS或pnp型通斷元件、開關或光耦合器，與流行的光耦合器和集成初級側PWM控制器兼容。
• 封裝小巧：采用16引腳SO或TSSOP封裝。

二、引腳配置與描述

大家在進行電路設計時，一定要準確了解每個引腳的功能，才能確保芯片正常工作。這里大家有想過如果某個引腳連接錯誤，會出現什么樣的問題嗎？

三、電氣特性

絕對最大額定值

芯片在所有引腳相對于VSS的電壓范圍為 -0.3V至 +6V，DMSEL引腳的電壓范圍為VDD + 0.3V等。需要注意的是，這些只是應力額定值，在超出操作條件的情況下，并不能保證器件正常工作，長時間處于絕對最大額定值條件下可能會影響可靠性。

推薦直流工作條件

推薦的電源電壓VDD范圍為4.0V至5.5V，輸入電壓范圍在不同引腳有相應要求。

DC電氣特性

涵蓋了電源電流、欠壓鎖定閾值、輸出電壓低、泄漏電流、閾值電壓等多個參數。例如，電源電流IDD在工作模式下典型值為250μA，最大值為500μA。

電氣特性 - 定時

包括內部時基周期、時基精度、占空比、電池測試間隔、預充電超時、快速充電終止延遲期等參數。如內部時基周期典型值為0.96s，時間精度在 -10%至 +10%之間。這些參數對于精確控制充電過程至關重要，大家在實際應用中要根據具體需求進行合理設置。想想看，如果時基精度不準確，對充電過程會有多大的影響呢？

四、詳細工作原理與充電配置

充電算法概述

充電周期開始的方式有三種：在已插入電池的情況下給DS2711供電、上電后檢測到電池插入、退出暫停模式且電池已插入。充電過程從預充電驗證開始，防止對深度放電的電池進行快速充電或在極端溫度條件下充電。預充電以較低速率進行，直到每個電池達到1V，然后進入快速充電階段。快速充電過程中會進行電池測試，避免對不合格電池充電。當電池溫度低于50°C且開路電池電壓在1.0V至1.75V之間時，快速充電持續進行，直至采用 -?V 方法終止。之后進入頂充階段，最后是維護充電階段，以保持電池充滿狀態。在整個充電過程中，對最大電壓、溫度和充電時間的監測作為二次或安全終止方法，提供過充保護。

串聯充電配置

DS2711/DS2712的串聯配置支持單槽或雙槽獨立充電器以及系統內單節或雙節電池充電。在單節電池串聯模式下，為一節電池充電；雙節電池串聯模式下，為兩節串聯電池充電。需要注意的是，在串聯配置中，電池尺寸不應混合使用。以圖3為例，充電電流通過DS2711的CC1引腳控制的PNP晶體管輸送到電池，電流調節利用DS2711 CSOUT引腳提供的電流感應反饋在外部電路中實現。DS2712也可用于該電路，在CSOUT引腳提供開關模式控制。RSNS = 0.125Ω時，充電源電流ICHG設置為1A，串聯模式下有效充電電流為0.969 × ICHG = 969mA。

并聯充電配置

并聯配置支持雙槽獨立充電器，通過CC1和CC2引腳交替控制給每個電池提供充電脈沖，充電過程并行進行。CC1和CC2的占空比相互獨立，每個電池從預充電到快速充電、快速充電到頂充、頂充到維護充電的轉換都是獨立的。如圖4所示，通過電流感應反饋將充電源調節為2A（RSNS = 0.068Ω），每個電池的有效充電電流為2A × 0.484 = 0.968A。這種設計可以構建能接受AA或AAA電池尺寸的充電器，通過將電流感應電阻分為兩個獨立電阻，使每種電池類型以不同速率充電。同時，電池盒的機械設計要防止在每個插槽中插入多個電池以及防止反極性插入。

開關模式充電電流調節的DS2712并聯充電配置

圖5中的示例使用DS2712作為開關（降壓）調節器來調節充電電流。通過RSNS = 0.056Ω將ICHG設置為2A，每個電池的有效充電電流為ICHG × 0.484 = 968mA。當檢測電阻兩端的電壓超過0.125V時，CSOUT比較器輸出關閉；電壓降至0.100V以下時，輸出開啟。在這種模式下，工作頻率主要由電感值、磁滯、輸入電壓和電池電壓決定。在某些情況下，可能需要阻尼網絡來防止電池移除時出現過沖現象。

五、其他重要特性

欠壓鎖定（UVLO）

UVLO電路通過監測VDD來作為上電和掉電檢測器，防止在VDD上升到VUVLO以上之前或VDD下降到VUVLO - VHYS以下時進行充電。如果UVLO激活，充電將被阻止，狀態機將被強制重置，所有充電定時器也將重置。10μs的去毛刺電路提供抗干擾能力。

內部振蕩器和時鐘生成

內部振蕩器為芯片內部操作提供主時鐘源，用于生成預充電定時器、延遲定時器以及CC1/CC2操作和電池測試的定時信號。

電流感應放大器（DS2711）

DS2711中的誤差放大器塊提供多種調節充電電流的選項。其20mA的開漏輸出可以驅動PMOS或PNP通斷元件進行線性調節，也可以驅動光耦合器為初級側PWM控制器提供隔離反饋。VN0引腳是遠程感應返回端，應使用單獨的絕緣導體連接到檢測電阻的接地端。

電流感應比較器（DS2712）

DS2712中的比較器在開和關之間切換，能夠驅動PNP雙極晶體管或PMOS晶體管，實現開關模式功率級的使用。比較器輸入的磁滯提供抗干擾能力。在圖5的閉環調節電路中，比較器將檢測電阻兩端的電壓調節為直流平均值：VRSNS = VIREF - 0.5 × VHYS - COMP = 0.125V。

充電定時器

充電定時器監測快速充電和頂充階段的充電持續時間，每個階段開始時重置。超時時間通過連接在TMR引腳和VSS之間的外部電阻設置。電阻可以選擇支持0.5至10小時的快速充電超時時間和0.25至5小時的頂充超時時間。如果快速充電時定時器超時，定時器計數重置，充電進入頂充階段；頂充時定時器超時，充電進入維護階段。編程的充電時間大致遵循公式：t = 1.5 × R / 1000（時間以分鐘為單位）。

暫停功能

通過斷開TMR引腳可以暫停充電活動，此時CC1和CC2輸出變為高阻抗，充電定時器停止，狀態機和所有定時器重置為電池存在測試條件。

溫度感應

通過在THM1或THM2（THMx）與Vss之間連接一個外部10kΩ NTC熱敏電阻，并在VDD和THMx之間連接一個10kΩ偏置電阻，DS2711可以感應溫度。為了感應電池溫度，應將熱敏電阻靠近電池本體放置，使THM1監測電池1的溫度，THM2監測電池2的溫度。也可以將熱敏電阻放置在遠離電池的位置以感應環境溫度。THM1和THM2可以連接在一起，使用單個熱敏電阻和偏置電阻來感應溫度。通過將THM1和THM2連接到一個提供介于熱敏電阻最小和最大閾值電壓之間電壓的電阻分壓器，可以禁用溫度驗證功能。

電池電壓監測

在雙節電池串聯模式下，通過VP2和VP1之間的電壓差確定電池2的電壓，VP1和VN1之間的電壓差確定電池1的電壓；單節電池串聯模式下，VP1和VN1之間的電壓差作為電池電壓，VP2可以不連接。在并聯模式下，VP2和VN1之間的電壓差用于確定電池2的電壓，VP1和VN1之間的電壓差用于確定電池1的電壓。 對每個電池的電壓進行最小和最大值監測，使用VBAT - MIN、VBAT - MAX1和VBAT - MAX2閾值限制。插入電池或上電時，電池電壓必須低于VBAT - MAX1閾值才能開始充電。VBAT - MIN閾值確定是否需要進行預充電以及何時從預充電過渡到快速充電。快速充電開始后，每秒將電池電壓與VBAT - MAX2閾值進行比較。當充電控制引腳（CC1或CC2）控制電池電流時為高電平，此時的電池電壓稱為VON電壓；充電控制引腳不工作時，電池電壓稱為VOFF電壓。如果快速充電時超過VBAT - MAX2，充電將停止并顯示故障狀態。在快速充電過程中，存儲電池電壓測量值并與后續測量值進行比較，用于充電終止和電池測試。 還會進行兩種類型的測試以檢測一次堿性電池、鋰電池或有缺陷的鎳氫或鎳鎘二次電池。在串聯和并聯配置中，對每個電池進行單獨測試，以便快速檢測出單個不合格或有缺陷的電池。在串聯配置中，單個有缺陷的電池會導致兩個電池都停止充電；而在并聯模式下，好的電池繼續充電，有缺陷的電池停止充電。 VCTST由CTST引腳到地的電阻設置，通過在CTST和VSS之間連接一個80kΩ電阻，可將標稱靈敏度設置為100mV，檢測閾值可以在32mV至400mV之間設置，計算公式近似為：VCTST = 8000 / R（值以V為單位）。

-?V和扁平電壓終止

在快速充電過程中，通過比較連續的電壓測量值，檢測電池電壓下降2mV來進行 -?V檢測。 -?V檢測的延遲期從快速充電開始時開始，防止在充電周期的前幾分鐘出現誤終止。延遲期結束后，每32個時鐘周期（CCx關閉期間）獲取一次電池電壓測量值。當新獲取的電壓測量值大于之前的任何一個時，將新值保留為最大值。當電池電壓不再增加時，保留最大值并與后續值進行比較。如果電池電壓下降達到 -?V閾值（典型值為2mV），快速充電終止。如果電池電壓保持平坦，即最大值持續16分鐘（tFLAT），快速充電終止，進入頂充階段。

頂充和維護

在頂充模式下，充電器將電池電流調整為快速充電電流的25%。充電定時器重置并重新啟動，超時時間為快速充電持續時間的一半。頂充時定時器超時后，充電器進入維護階段，向電池提供充電源電流的1/64。維護充電持續進行，直到電源移除、電池移除或通過斷開TMR引腳使DS2711/DS2712進入和退出暫停模式。

充電模式選擇

通過在啟動時測試LED2引腳來選擇充電模式。內部電流源通過對LED2引腳進行上拉和下拉操作來測試其狀態，以確定是高電平、低電平還是開路。推薦使用的上拉或下拉電阻值（如果使用）為100kΩ。在第7頁的并聯充電電路圖中，沒有顯示電阻，通過LED和270Ω電阻的電流路徑足以在上電時將LED2引腳拉高，以選擇并聯模式。可參考DC電氣特性表中的模式測試電流（IMTST）規格來選擇其他上拉值。

六、CC1和CC2輸出

CC1和CC2作為開漏輸出，驅動低電平以將充電源連接到電池。充電時，CC1和CC2輸出的行為取決于充電模式配置。在并聯模式下，CC1和CC2在交替的時間槽中驅動為低電平，任何時間槽內充電源僅加載一個電池。在單節和雙節電池串聯模式下，僅驅動CC1。除了定期進行阻抗和 -?V測試外，串聯模式下的快速充電階段是連續的，而不是像并聯模式那樣脈沖式充電。

并聯模式快速充電

參考圖4，CC1控制PNP開關，將電流輸送到插槽1中的電池；CC2控制PNP開關，將電流輸送到插槽2中的電池。快速充電時，電流依次輸送到每個插槽，充電脈沖在交替的時間幀中出現。一個插槽中的電池充電時，另一個插槽中的電池處于放松狀態，有效快速充電電流為充電源電流限制值的48.4%。并聯配置每32個時鐘周期跳過一個充電脈沖，以便獨立測試開路和閉路電池電壓（分別為VOFF和VON）。由于每個電池的充電過程是獨立的，一個電池可能會比另一個電池先完成充電階段。同時插入的一對電池中，充電更充分的電池可能通過 -?V終止快速充電，然后進入頂充階段，而充電較少的電池繼續快速充電。如果插入了一個不合適或有故障的電池（如堿性電池）和一個合適的電池（鎳氫或鎳鎘電池），有故障的電池將停止充電，而合適的電池將充滿電。

串聯模式快速充電

參考圖3，CC1控制PNP開關，將電流輸送到電池。在串聯模式下，根據選擇的是單節還是雙節電池串聯模式，可以為1或2節電池充電。快速充電時，電流幾乎連續輸送到電池，有效快速充電電流約等于充電源的電流限制值。串聯配置每32個時鐘周期短暫停用CC1，以便獨立測試每個電池的VOFF和VON。一秒的停用時間使占空比為0.969，因此有效電流約等于充電源電流限制值的97%。在雙節電池串聯模式下，會分別評估每個電池的特性；但如果確定任何一個電池不合適或有故障，充電將停止。在單節電池充電串聯模式下，CC1像雙節電池串聯模式一樣控制充電電流，通過VP1和VN1之間的電壓監測電池電壓，通過THM1監測溫度，VP2和THM2引腳在單節電池串聯模式下可以不連接。

七、示例容量和充電速率

并聯充電示例

以一個1700mAh的電池為例，使用1A的穩壓充電源進行充電。快速充電時，電池的占空比為0.484，有效充電電流為0.484A，C速率為0.285°C（或C/3.5）。預充電和頂充時，占空比為0.125，有效平均電流為125mA，C速率為