MAXIM DS2711/DS2712：松散镍氢电池充电器的卓越之选

在电子设备的世界里，电池充电器的性能直接影响着设备的使用体验和电池的寿命。今天，我们就来深入探讨一下MAXIM公司的DS2711和DS2712这两款专为1或2节AA或AAA松散镍氢（NiMH）电池充电而设计的充电器芯片。

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一、产品概述

DS2711和DS2712适用于系统内或独立充电场景。它们通过监测温度、电压和充电时间，为镍氢电池提供合适的快速充电控制算法。同时，芯片还具备电池检测功能，能识别如碱性原电池等有缺陷或不适合充电的电池。此外，DS2711/DS2712支持串联和并联拓扑结构，可对每个电池进行独立监测和控制，也支持镍镉（NiCd）电池的充电。

应用场景广泛

这些芯片的应用场景十分丰富，涵盖了桌面/独立充电器（AAA/AA）、数码相机、音乐播放器、游戏设备以及玩具等领域。

功能特性突出

• 灵活充电：可对1或2节镍氢电池进行充电。
• 电池检测：能检测并避免对碱性电池充电。
• 预充电功能：对深度放电的电池进行预充电。
• 快速充电终止：采用 -∆V 终止法进行镍氢电池的快速充电，灵敏度为2mV（典型值）。
• 多参数监测：监测电压、温度和时间，确保充电安全和二次终止。
• 充电电流调节：DS2711采用线性控制，DS2712采用开关模式控制。
• 驱动元件多样：可驱动pMOS或pnp型通断元件、开关或光耦合器，与流行的光耦合器和集成初级侧PWM控制器兼容。
• 封装小巧：采用16引脚SO或TSSOP封装。

二、引脚配置与描述

这两款芯片具有特定的引脚配置，每个引脚都有其独特的功能。例如，CC1和CC2用于电池充电控制输出，LED1和LED2用于显示电池状态等。详细的引脚功能如下表所示：	PIN	NAME	FUNCTION
1	CC1	Cell 1 Charge-Control Output
2	CC2	Cell 2 Charge-Control Output
3	LED1	Cell 1 Status
4	V SS	Ground Reference and Chip- Supply Return
5	LED2	Cell 2 Status, Mode-Select Input
6	CSOUT	Current-Sense Output
7	VN1	Current-Sense + Input
8	VN0	Current-Sense - Input
9	DMSEL	Display-Mode Select
10	CTST	Cell Test Threshold Set
11	TMR	Charge Timer Set
12	V DD	Chip-Supply Input (4.0V to 5.5V)
13	THM1	Cell 1 Thermistor Input
14	THM2	Cell 2 Thermistor Input
15	VP1	Cell 1 Positive-Terminal Sense Input
16	VP2	Cell 2 Positive-Terminal Sense Input

大家在进行电路设计时，一定要准确了解每个引脚的功能，才能确保芯片正常工作。这里大家有想过如果某个引脚连接错误，会出现什么样的问题吗？

三、电气特性

绝对最大额定值

芯片在所有引脚相对于VSS的电压范围为 -0.3V至 +6V，DMSEL引脚的电压范围为VDD + 0.3V等。需要注意的是，这些只是应力额定值，在超出操作条件的情况下，并不能保证器件正常工作，长时间处于绝对最大额定值条件下可能会影响可靠性。

推荐直流工作条件

推荐的电源电压VDD范围为4.0V至5.5V，输入电压范围在不同引脚有相应要求。

DC电气特性

涵盖了电源电流、欠压锁定阈值、输出电压低、泄漏电流、阈值电压等多个参数。例如，电源电流IDD在工作模式下典型值为250µA，最大值为500µA。

电气特性 - 定时

包括内部时基周期、时基精度、占空比、电池测试间隔、预充电超时、快速充电终止延迟期等参数。如内部时基周期典型值为0.96s，时间精度在 -10%至 +10%之间。这些参数对于精确控制充电过程至关重要，大家在实际应用中要根据具体需求进行合理设置。想想看，如果时基精度不准确，对充电过程会有多大的影响呢？

四、详细工作原理与充电配置

充电算法概述

充电周期开始的方式有三种：在已插入电池的情况下给DS2711供电、上电后检测到电池插入、退出暂停模式且电池已插入。充电过程从预充电验证开始，防止对深度放电的电池进行快速充电或在极端温度条件下充电。预充电以较低速率进行，直到每个电池达到1V，然后进入快速充电阶段。快速充电过程中会进行电池测试，避免对不合格电池充电。当电池温度低于50°C且开路电池电压在1.0V至1.75V之间时，快速充电持续进行，直至采用 -∆V 方法终止。之后进入顶充阶段，最后是维护充电阶段，以保持电池充满状态。在整个充电过程中，对最大电压、温度和充电时间的监测作为二次或安全终止方法，提供过充保护。

串联充电配置

DS2711/DS2712的串联配置支持单槽或双槽独立充电器以及系统内单节或双节电池充电。在单节电池串联模式下，为一节电池充电；双节电池串联模式下，为两节串联电池充电。需要注意的是，在串联配置中，电池尺寸不应混合使用。以图3为例，充电电流通过DS2711的CC1引脚控制的PNP晶体管输送到电池，电流调节利用DS2711 CSOUT引脚提供的电流感应反馈在外部电路中实现。DS2712也可用于该电路，在CSOUT引脚提供开关模式控制。RSNS = 0.125Ω时，充电源电流ICHG设置为1A，串联模式下有效充电电流为0.969 × ICHG = 969mA。

并联充电配置

并联配置支持双槽独立充电器，通过CC1和CC2引脚交替控制给每个电池提供充电脉冲，充电过程并行进行。CC1和CC2的占空比相互独立，每个电池从预充电到快速充电、快速充电到顶充、顶充到维护充电的转换都是独立的。如图4所示，通过电流感应反馈将充电源调节为2A（RSNS = 0.068Ω），每个电池的有效充电电流为2A × 0.484 = 0.968A。这种设计可以构建能接受AA或AAA电池尺寸的充电器，通过将电流感应电阻分为两个独立电阻，使每种电池类型以不同速率充电。同时，电池盒的机械设计要防止在每个插槽中插入多个电池以及防止反极性插入。

开关模式充电电流调节的DS2712并联充电配置

图5中的示例使用DS2712作为开关（降压）调节器来调节充电电流。通过RSNS = 0.056Ω将ICHG设置为2A，每个电池的有效充电电流为ICHG × 0.484 = 968mA。当检测电阻两端的电压超过0.125V时，CSOUT比较器输出关闭；电压降至0.100V以下时，输出开启。在这种模式下，工作频率主要由电感值、磁滞、输入电压和电池电压决定。在某些情况下，可能需要阻尼网络来防止电池移除时出现过冲现象。

五、其他重要特性

欠压锁定（UVLO）

UVLO电路通过监测VDD来作为上电和掉电检测器，防止在VDD上升到VUVLO以上之前或VDD下降到VUVLO - VHYS以下时进行充电。如果UVLO激活，充电将被阻止，状态机将被强制重置，所有充电定时器也将重置。10µs的去毛刺电路提供抗干扰能力。

内部振荡器和时钟生成

内部振荡器为芯片内部操作提供主时钟源，用于生成预充电定时器、延迟定时器以及CC1/CC2操作和电池测试的定时信号。

电流感应放大器（DS2711）

DS2711中的误差放大器块提供多种调节充电电流的选项。其20mA的开漏输出可以驱动PMOS或PNP通断元件进行线性调节，也可以驱动光耦合器为初级侧PWM控制器提供隔离反馈。VN0引脚是远程感应返回端，应使用单独的绝缘导体连接到检测电阻的接地端。

电流感应比较器（DS2712）

DS2712中的比较器在开和关之间切换，能够驱动PNP双极晶体管或PMOS晶体管，实现开关模式功率级的使用。比较器输入的磁滞提供抗干扰能力。在图5的闭环调节电路中，比较器将检测电阻两端的电压调节为直流平均值：VRSNS = VIREF - 0.5 × VHYS - COMP = 0.125V。

充电定时器

充电定时器监测快速充电和顶充阶段的充电持续时间，每个阶段开始时重置。超时时间通过连接在TMR引脚和VSS之间的外部电阻设置。电阻可以选择支持0.5至10小时的快速充电超时时间和0.25至5小时的顶充超时时间。如果快速充电时定时器超时，定时器计数重置，充电进入顶充阶段；顶充时定时器超时，充电进入维护阶段。编程的充电时间大致遵循公式：t = 1.5 × R / 1000（时间以分钟为单位）。

暂停功能

通过断开TMR引脚可以暂停充电活动，此时CC1和CC2输出变为高阻抗，充电定时器停止，状态机和所有定时器重置为电池存在测试条件。

温度感应

通过在THM1或THM2（THMx）与Vss之间连接一个外部10kΩ NTC热敏电阻，并在VDD和THMx之间连接一个10kΩ偏置电阻，DS2711可以感应温度。为了感应电池温度，应将热敏电阻靠近电池本体放置，使THM1监测电池1的温度，THM2监测电池2的温度。也可以将热敏电阻放置在远离电池的位置以感应环境温度。THM1和THM2可以连接在一起，使用单个热敏电阻和偏置电阻来感应温度。通过将THM1和THM2连接到一个提供介于热敏电阻最小和最大阈值电压之间电压的电阻分压器，可以禁用温度验证功能。

电池电压监测

在双节电池串联模式下，通过VP2和VP1之间的电压差确定电池2的电压，VP1和VN1之间的电压差确定电池1的电压；单节电池串联模式下，VP1和VN1之间的电压差作为电池电压，VP2可以不连接。在并联模式下，VP2和VN1之间的电压差用于确定电池2的电压，VP1和VN1之间的电压差用于确定电池1的电压。 对每个电池的电压进行最小和最大值监测，使用VBAT - MIN、VBAT - MAX1和VBAT - MAX2阈值限制。插入电池或上电时，电池电压必须低于VBAT - MAX1阈值才能开始充电。VBAT - MIN阈值确定是否需要进行预充电以及何时从预充电过渡到快速充电。快速充电开始后，每秒将电池电压与VBAT - MAX2阈值进行比较。当充电控制引脚（CC1或CC2）控制电池电流时为高电平，此时的电池电压称为VON电压；充电控制引脚不工作时，电池电压称为VOFF电压。如果快速充电时超过VBAT - MAX2，充电将停止并显示故障状态。在快速充电过程中，存储电池电压测量值并与后续测量值进行比较，用于充电终止和电池测试。 还会进行两种类型的测试以检测一次碱性电池、锂电池或有缺陷的镍氢或镍镉二次电池。在串联和并联配置中，对每个电池进行单独测试，以便快速检测出单个不合格或有缺陷的电池。在串联配置中，单个有缺陷的电池会导致两个电池都停止充电；而在并联模式下，好的电池继续充电，有缺陷的电池停止充电。 VCTST由CTST引脚到地的电阻设置，通过在CTST和VSS之间连接一个80kΩ电阻，可将标称灵敏度设置为100mV，检测阈值可以在32mV至400mV之间设置，计算公式近似为：VCTST = 8000 / R（值以V为单位）。

-∆V和扁平电压终止

在快速充电过程中，通过比较连续的电压测量值，检测电池电压下降2mV来进行 -∆V检测。 -∆V检测的延迟期从快速充电开始时开始，防止在充电周期的前几分钟出现误终止。延迟期结束后，每32个时钟周期（CCx关闭期间）获取一次电池电压测量值。当新获取的电压测量值大于之前的任何一个时，将新值保留为最大值。当电池电压不再增加时，保留最大值并与后续值进行比较。如果电池电压下降达到 -∆V阈值（典型值为2mV），快速充电终止。如果电池电压保持平坦，即最大值持续16分钟（tFLAT），快速充电终止，进入顶充阶段。

顶充和维护

在顶充模式下，充电器将电池电流调整为快速充电电流的25%。充电定时器重置并重新启动，超时时间为快速充电持续时间的一半。顶充时定时器超时后，充电器进入维护阶段，向电池提供充电源电流的1/64。维护充电持续进行，直到电源移除、电池移除或通过断开TMR引脚使DS2711/DS2712进入和退出暂停模式。

充电模式选择

通过在启动时测试LED2引脚来选择充电模式。内部电流源通过对LED2引脚进行上拉和下拉操作来测试其状态，以确定是高电平、低电平还是开路。推荐使用的上拉或下拉电阻值（如果使用）为100kΩ。在第7页的并联充电电路图中，没有显示电阻，通过LED和270Ω电阻的电流路径足以在上电时将LED2引脚拉高，以选择并联模式。可参考DC电气特性表中的模式测试电流（IMTST）规格来选择其他上拉值。

六、CC1和CC2输出

CC1和CC2作为开漏输出，驱动低电平以将充电源连接到电池。充电时，CC1和CC2输出的行为取决于充电模式配置。在并联模式下，CC1和CC2在交替的时间槽中驱动为低电平，任何时间槽内充电源仅加载一个电池。在单节和双节电池串联模式下，仅驱动CC1。除了定期进行阻抗和 -∆V测试外，串联模式下的快速充电阶段是连续的，而不是像并联模式那样脉冲式充电。

并联模式快速充电

参考图4，CC1控制PNP开关，将电流输送到插槽1中的电池；CC2控制PNP开关，将电流输送到插槽2中的电池。快速充电时，电流依次输送到每个插槽，充电脉冲在交替的时间帧中出现。一个插槽中的电池充电时，另一个插槽中的电池处于放松状态，有效快速充电电流为充电源电流限制值的48.4%。并联配置每32个时钟周期跳过一个充电脉冲，以便独立测试开路和闭路电池电压（分别为VOFF和VON）。由于每个电池的充电过程是独立的，一个电池可能会比另一个电池先完成充电阶段。同时插入的一对电池中，充电更充分的电池可能通过 -∆V终止快速充电，然后进入顶充阶段，而充电较少的电池继续快速充电。如果插入了一个不合适或有故障的电池（如碱性电池）和一个合适的电池（镍氢或镍镉电池），有故障的电池将停止充电，而合适的电池将充满电。

串联模式快速充电

参考图3，CC1控制PNP开关，将电流输送到电池。在串联模式下，根据选择的是单节还是双节电池串联模式，可以为1或2节电池充电。快速充电时，电流几乎连续输送到电池，有效快速充电电流约等于充电源的电流限制值。串联配置每32个时钟周期短暂停用CC1，以便独立测试每个电池的VOFF和VON。一秒的停用时间使占空比为0.969，因此有效电流约等于充电源电流限制值的97%。在双节电池串联模式下，会分别评估每个电池的特性；但如果确定任何一个电池不合适或有故障，充电将停止。在单节电池充电串联模式下，CC1像双节电池串联模式一样控制充电电流，通过VP1和VN1之间的电压监测电池电压，通过THM1监测温度，VP2和THM2引脚在单节电池串联模式下可以不连接。

七、示例容量和充电速率

并联充电示例

以一个1700mAh的电池为例，使用1A的稳压充电源进行充电。快速充电时，电池的占空比为0.484，有效充电电流为0.484A，C速率为0.285°C（或C/3.5）。预充电和顶充时，占空比为0.125，有效平均电流为125mA，C速率为