用NiMH电池来取代锂电池的电路设计方法

用NiMH电池来取代锂电池的电路设计方法

       镍氢化合物(NiMH)电池要替代锂电池，需要设计一个接口电路来模仿锂电池随着放电而下降的电池端电压，并采用一个高效的升压电路将NiMH电池输出电压提高到锂电池的电压。本文介绍的电路通过在NiMH电池与锂优化电源管理电路之间提供一个接口实现这种设计。

       锂电池正在成为便携设备的标准配置，锂电池具有用户所期望的特性，但通常锂电池的交货时间比较长。因此，特别是小公司，希望有一种替代电池产品作为备份。比较理想的情况是，替代电池应该具有相同的性能、尺寸和成本。目前，镍氢化合物(NiMH)电池仍在广泛使用。它们比锂电池便宜很多，尺寸也非常小(现在已经有AAAA型电池)。要模仿锂电池，需要设计一个接口电路来模仿随着放电而下降的电池端电压。锂电池的标称端电压(3.6V)大约为NiMH电池端电压(1.2V)的三倍，可以采用一个高效的升压电路将NiMH电池输出提高三倍。

       但是，由于在关机期间不断工作的电路仍在消耗不必要的电能，而NiMH电池的等效漏电流(静态电流)就高达200mA，这是不能接受的，因此必须在关机期间提供电源控制能力。

       新的设计方法不是在关断情况下保持三倍NiMH电压，而是使电路以突发模式工作，仅在电路输出电压下降到一定的阈值以下时才启动升压电路。当输出电压达到上限时，停止升压，让输出电容器通过输出负载和NiMH电路放电，这样输出电压就形成锯齿波形。另一方面，如果电池电压下降到低于下限，则电路处于休眠状态以免损坏电池。

  图中所示的电路通过在一个NiMH电池与锂优化电源管理电路之间提供一个接口实现了上述想法。电路状态由模式输出控制，如果是高电平则输出锯齿波，低电平输出3倍的电池电压。连接成积分电路的运算放大器通过驱动U1的反馈节点，产生三倍于电池电压的输出电压。

 

       为避免与U1的内部误差比较电路形成相互干扰及滤除噪声，应选择较大的积分时间常数。在低功率模式下，采用一个mP监管IC(U2)来监测输出电压，并控制U1。电路中的电阻串与U2一起将该器件的输出电压控制在大约2.4V到4V之间。

       最后，当电池电压下降到低于一般为0.9V的阈值时，升压器必须总是关断。此关断动作由升压器自身的内部比较器来完成，并且Tiny Logic网络根据模式控制输入状态、斜坡电压门限检测器U2和U1的内部电池比较器来选择正确的工作模式。为保证当输出为0V时逻辑网络从1.0V启动，逻辑网络必须直接从电池供电。当输出电压下降到0.9V时，所有逻辑正常工作电压的下限为0.9V，低于0.9V，电池即处于耗尽状态。

       采用如图所示的元件，锯齿波的占空比为10%。注意电路有一个电压锁定状态，工作在锯齿波模式时，U2的上限必须总是低于U1的最大输出。否则，U2将不关断U1。U1的最大输出由电阻串R9-R10的FB节点设置(因为在低功率模式下运算放大器处于高阻抗状态，不会从FB结点获取电流)。

       这里没有包括锂电池充电的接口。但是，可以用p沟道MOSFET与充电器和电池串联来实现这个接口功能。将p沟道MOSFET与电池、一个充电器串联起来，在MOSFET的充电器侧加上一个运算放大器将电压提升到3.3V。