单节镍氢电池充电器DS2710的技术剖析与应用指南

一、DS2710概述

DS2710是一款专为低电流便携式应用中的单节镍氢（NiMH）电池充电而设计的理想芯片。它的输入可以是USB电压源或5V稳压适配器。该芯片通过监测温度、电压和充电时间，为单节NiMH或镍镉（NiCd）电池提供合适的快速充电控制算法，还具备电池测试功能，能检测出有缺陷或不适合充电的电池，如碱性原电池。

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二、应用场景

DS2710适用于多种小型可充电设备，如语音记录器、无线鼠标和电池供电的玩具等。

三、特性亮点

3.1 充电功能

• 支持单节NiMH电池充电，采用滞回控制技术的开关模式拓扑。
• 对深度放电的电池进行预充电，以 -ΔV 终止快速充电，灵敏度典型值为2mV。
• 监测电压、温度和时间，确保安全和二次终止充电。

3.2 电流调节

• 专为外部pMOS设计，具备轨到轨MOSFET驱动器。
• 采用小巧的10引脚TDFN封装（3mm x 4mm）。

四、电气特性

4.1 绝对最大额定值

• 电压范围：-0.3V至+6.0V。
• 连续源/灌电流CS：20mA。
• 连续源电流STATUS：10mA。
• 工作温度范围：-40°C至+85°C。
• 存储温度范围：-55°C至+125°C。

4.2 推荐直流工作条件

• 电源电压 (V_{DD})：4.0V至5.5V，环境温度 (T_A) 为 -20°C至+70°C。

4.3 直流电气特性

涵盖了电源电流、欠压锁定阈值、输出电压等多项参数，例如电源电流 (I_{DD}) 在工作模式下典型值为250μA，最大值为1000μA。

4.4 电气特性：定时

包括内部时基周期、CS输出占空比、电池测试间隔等参数，如内部时基周期典型值为0.96秒。

五、引脚说明

PIN	NAME	FUNCTION
1	VSS	设备接地，直接连接到充电源的负极。
2	CS	充电源，用于开关电路的反馈控制。
3	VDD	电源输入，通过去耦网络连接到充电源的正极。
4	THM	热敏电阻输入，连接到靠近电池的热敏电阻和VDD引脚的电阻分压器。
5	STATUS	状态输出，驱动外部LED或微处理器输入以指示充电状态。
6	CTEST	阻抗测试，通过外部电阻连接到VSS以设置阻抗测试阈值。
7	TMR	快速充电定时器，通过外部电阻连接到VSS以设置快速充电超时时间。
8	VN0	电流检测负输入，连接到外部检测电阻的充电源侧。
9	VN1	电流检测正输入，连接到外部检测电阻的电池侧。
10	VP1	电池电压检测，通过该输入引脚监测电池电压。
-	EP	外露焊盘，连接到VSS。

六、充电算法详解

6.1 充电算法概述

DS2710控制单节NiMH电池从稳压充电源进行开关模式拓扑充电。芯片通过施加电源或退出SUSPEND状态进行复位，进入PRESENCE状态等待电池插入后开始充电循环。充电过程包括预充电、快速充电、TOP-OFF充电和维护充电等阶段，同时在各阶段进行电压、温度和充电时间监测，以防止过充。

6.2 各充电状态分析

• PRESENCE状态：当TMR引脚未浮空且 (V{DD} > V{UVLO}) 时进入，等待电池插入，电池插入且温度在有效充电范围内则进入预充电状态。
• PRECHARGE状态：检测到有效电池电压且温度在有效范围内时进入，以25%的占空比调节检测电阻上的电压降为113mV进行预充电，直到电池电压超过1.0V进入快速充电状态。若预充电时间超过30分钟或电池温度超过+50°C，进入FAULT状态。
• FAST-CHARGE状态：调节检测电阻上的平均电压为113mV，每31秒进行一次电池测试。通过 -ΔV 方法终止快速充电，进入TOP-OFF状态。若电池温度超过+50°C或电池电压超过 (V_{MAX - CHARGE})，进入FAULT状态。
• CELL TEST状态：在快速充电期间每31秒执行一次，测量电池电压和阻抗，若电池电压下降超过2mV或16分钟内电压无增加，快速充电成功终止并进入TOP-OFF状态。若阻抗超过阈值或电压超过 (V_{MAX - OPEN})，进入FAULT状态。
• TOP-OFF状态：以快速充电速率的25%进行充电，充电定时器超时或温度超过+50°C进入维护状态。若电池电压超过 (V{MAX - CHARGE}) 或 (V{MAX - OPEN})，进入FAULT状态。
• MAINTENANCE状态：充电正常完成或充电期间电池温度超过+50°C时进入，以1.56%的占空比维持电池充满状态，直到电池移除、芯片电源循环或进入SUSPEND状态。
• FAULT状态：任何充电状态下电池电压超过 (V{MAX - CHARGE}) 或 (V{MAX - OPEN}) 等情况进入，CS引脚强制为高以防止充电，STATUS输出以4Hz速率切换。
• SUSPEND状态：通过浮空TMR引脚进入，CS输出拉至VDD以禁用充电控制FET，恢复TMR连接后从PRESENCE状态开始充电，所有定时器复位。

七、关键参数设置

7.1 充电电流调节

DS2710通过维持VN1和VN0引脚之间外部检测电阻上的恒定平均电压来调节充电电流，公式为 (V{SENSE} = V{IREF} - 0.5 × V{HYS - COMP} = 0.113V)（典型值）。检测电阻可根据所需快速充电电流选择，公式为 (R{SENSE} = 0.113V / 所需快速充电电流)。

7.2 充电速率选择

快速充电速率为调节电流极限的0.969倍，TOP-OFF速率为调节电流的0.25倍，维护充电速率为调节电流的0.0156倍。

7.3 超时选择

快速充电超时时间由TMR引脚连接到VSS的外部电阻设置，范围为0.5小时至5小时，TOP-OFF超时时间为快速充电超时时间的一半。公式为 (t(分钟) = 1.5 × R_{TMR}(Ω) / 1000)。

7.4 阻抗测试阈值选择

DS2710在快速充电状态下每31秒测试一次电池阻抗，检测阈值可通过CTEST引脚连接到VSS的外部电阻设置，范围为32mV至400mV，公式为 (V{TEST} = 8000 / R{CTEST})，阻抗阈值公式为 (阻抗阈值 = 70796 × (R{SENSE} / R{CTEST}))。

八、应用电路与布局

8.1 典型应用电路

图5展示了一个典型的DS2710应用电路，用于从USB端口或其他5V充电源为NiMH电池充电。电路中Q1、L1、C2和D2构成开关降压调节器电路，由DS2710的CS引脚控制。通过调节检测电阻R9上的电压来控制充电电流。

8.2 应用PCB布局

为确保应用电路成功，需遵循正确的布局规则。开关模式操作会产生快速电压和电流瞬变，应注意减小开关回路面积，采用低ESR和ESL的电容器，对检测电阻采用正确的Kelvin连接布局。

九、总结

DS2710是一款功能强大的单节镍氢电池充电器芯片，具备多种保护功能和灵活的参数设置，适用于多种小型可充电设备。在设计应用电路时，需要根据具体需求合理选择充电电流、超时时间和阻抗测试阈值等参数，并遵循正确的PCB布局规则，以确保充电过程的安全和稳定。你在使用DS2710进行设计时，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享。