基于DS2712的USB接口镍氢电池充电器设计

摘要：随着USB接口的广泛应用，将其作为小功率消费类电子产品的电池充电电源十分便利，而新产品的不断涌现和USB接口标准的不断进步使电池充电器设计面临着新的机遇与挑战。在此回顾了USB接口和镍氢电池的特性，对比了基于线性稳压源和开关电源原理设计的充电器之间的差异，设计了一种以DS2712为充电控制器，使用USB接口作为电源的镍氢电池充电器。在此设计的USB接口镍氢电池充电器经硬件验证，实现了对一节镍氢电池的快速智能充电功能，充电过程稳定可靠。
关键词：USB；镍氢电池；智能充电；DS2712

0 引言
通用串行总线(USB)接口是一种带电源和地的双向数据接口。所有类型的电脑周边设备，包括移动硬盘、U盘、键盘、鼠标、无线网卡、摄像头、数码相机、MP3播放器等，均可通过USB接口连接电脑主机。这些设备当中很多都是采用电池供电的。随着USB接口的广泛应用，将其作为小功率消费类电子产品的电池充电电源十分便利，而新产品的不断涌现和USB接口标准的不断进步使电池充电器设计面临着新的机遇与挑战。
本文首先回顾了USB接口和镍氢电池的特性，然后对比了基于线性稳压源和开关电源原理设计的充电器之间的差异，最后设计了一种以DS2712为充电控制器、使用USB接口作为电源的镍氢电池充电器。

1 USB特性
由于与计算机主电源相互隔离，USB接口可以作为稳定性很好的小功率电压源使用。将USB接口作为电源使用，也存在局限性，比如输出电流有限、负载与计算机主机相互干扰等。USB 2．0接口由一对90 Ω半双工差分屏蔽双绞线、+5 V电源线和地线组成。通过功能控制器实现周边设备与计算机主机之间的双向通信。USB 2．0标准规定每单元负载电流的最大值为10mA，任何设备消耗的最大电流不得超过5个单元负载电流。
USB接口分为低功率接口(最多提供一个单元负载电流)和高功率接口(最多可提供5个单元负载电流)。当设备首次连接到USB接口时，计算机调用一个列举进程来识别设备，以确定设备所需要的负载电流大小。识别过程中，计算机只给设备提供一个单元负载电流；识别完成后，经计算机电源管理软件允许，更大的驱动电流才会输出给高功耗设备。
某些计算机主机或USB集线器通过内置的具备保险丝或者有源传感器限制USB接口的输出电流。如果设备没有经过列举进程进行识别就使USB接口输出超过一个负载单元的电流，计算机主机就会检测到USB输出过流，则主机会关闭一个或者多个正在使用的USB接口。许多USB接口的周边设备，包括电池充电器，其驱动电流都超过100mA，却没有功能控制器来处理主机的列举进程，这就会影响主机的稳定运行。例如，一个驱动电流是500 mA的设备插入一个由USB总线供电的USB集线器，如果没有经过列举进程识别，就可能会导致集线器和主机都过载。当计算机主机的操作系统使用先进的电源管理软件时，特别是对于笔记本电脑等需要接口电流极小的设备而言，情况会更加复杂。在节能模式下，笔记本电脑会向USB设备发出待机命令，使设备进入低功耗模式。所以，即使是低功耗设备也需要内置功能控制器，以便与计算机主机进行双向通信。
USB 2．0标准的内容很全面，规定了电源的品质、接头的结构、电缆的材料、允许的电压降、浪涌电流值等。低功率和高功率接口分别具有不同的电源特性，这些特性参数主要取决于计算机主机与周边设备之间的USB接头和连接线导致的电压降(约0．15 V)，包括使用USB总线供电的集线器的电压降(约0．25 V)。计算机主机或独立供电的USB集线器的高功率USB接口可以输出高达500 mA的驱动电流。低功率USB接口主要用在被动USB总线供电的集线器中，只能提供100 mA的驱动电流。
在采用USB2.0标准的计算机主机内，高功率USB接口的逆流端具有120μF低等效串联电阻的电容，USB周边设备的输入电容不能超过10μF，这样才能确保当设备连接到USB接口时瞬间电压降不大于0．5 V。如果当前设备必须使用更大的输入电容，就要在设备输入端设置浪涌电流限制器，对较大的输入电容以不大于100 mA的电流进行充电。

2 镍氢电池特性
镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，一般作为碱性电池的环保替代产品，广泛应用于生产生活中。正常情况下每节镍氢电池可提供1．2 V的端电压，充满电后端电压最高可达1．5V。
镍氢电池通常采用恒流源充电。当电池充满电后，就会发生热化学反应，导致电池温度上升，端电压降低。电池的温度上升或者电压下降均可作为终止充电的控制信号。这两种控制信号可分别被定义为温度变化率dT／dt和电压降-△V。当电池的充电率较低时，温度变化率dT／dt和电压降-△V的变化很小；当充电率高于C／3(C为电池容量)时，温度就开始显著变化；当电池进入过冲状态时温度变化率dT／dt和电压降-△V会快速变化，从而控制充电器降低充电电流，防止损坏电池。

图1所示为基于DS2712的镍氢电池充电器对一个部分充电的镍氢电池进行充电时，一个充电周期内的电压特性曲线。大电流快速充电结束之后，充电器会用较低的电流使电池充满，然后使电流进一步下降为C／20～C／30，进行涓流充电，防止自放电引起的电量损耗，使电池保持充满状态。