隨著各種可攜式電子產品的普及化，鎳氫、鎳鎘電池用快速充電器成為生活中的必需品，然而大部份的充電器都無法作單數電池充電，因此本文接著將要介紹可作單數電池充電之快速充電器。
設計規格
(表一)是不受電池容量、放電狀態差異，可作單數電池快速充電的「Active Charger」充電器的設計規格一覽。鎳氫、鎳鎘電池用於快速充電器設計上常見的問題是電池盒的接觸阻抗，尤其是電池盒的負極端經常因阻抗發熱溶化變形。此外接觸阻抗會造成不穩定的電壓下降，形成快速充電器的另一項障礙，因此大部份的充電器進行充電時都會利用方式監控電池電壓，一旦充電電壓開始減緩就立即停止充電動作，然而實際上該電壓變化量非常微小，而且電池電壓的檢測值包含接觸阻抗造成的不穩定電壓，因此方式經常造成所謂的誤動作現象。
表一 Active Charger設計規格一覽| 項目 | 規格 |
|---|---|
| 輸入電源 | DC5V±5％，2.1A以上 |
| 電池種類 | 鎳氫、鎳鎘電池 |
| 電池容量 | 可承受1A充電電流的充電電池 |
| 充電電壓 | 公稱值1.2V |
| 充電輸出數量 | 4個（不可串聯） |
| 充電電流 | ‧一般模式：4個各1A ‧Turbo 1模式：單顆單獨充電時1.6A ‧Turbo 2模式：單顆單獨充電時2.0A |
| 開始充電 | 電池裝填於專用電池盒，連接電池後自動檢測 |
| 停止充電條件 | ‧取出電池時 ‧檢測時 ‧total timer的time up（180分） ‧合併使用break through方式與dV down方式 |
| 檢測分解能力 | full scale約2.18V時為10bit（2.1mV） |
| 檢測間隔 | 1秒 |
| 預備充電 | 禁止-
 檢測時間(3分) |
| 裝填檢測時間 | 1.5秒 |
| 顯示充電狀態 | 針對各電池，LED點滅閃爍 |
| Monitor輸出 | 利用serial間隔100ms，輸出內部主要變數 |
設計步驟
(圖一)(a)是三號NiMH（1800mAH）充電電池以1C（1.8A）充電時手指接觸電池，電池盒兩端與數位多功能電錶連接，並用EasyGPIB收集資料，藉此測試接觸阻抗對電池電壓影響的結果。若與圖一(b)未作手指接觸的充電電池的測試結果比較時，圖1(a)的電壓變動非常明顯，不過兩圖的垂直scale幾乎完全相同，這意味著上述兩方式都無法利用檢測電池電壓。
Active Charger利用total充電timer與檢測兩種方式檢測電池的充電完成度。為增加電池的適用範圍，所以加長充電timer的設定時間，相對的充電完成度幾乎完全依賴的檢測，有鑑於此為提高檢測精度，因此開發下列兩種方案提供使用者選擇：
break through方式
電壓下降主要是接觸阻抗與充電電流兩者相乘的積所造成，基本上零接觸阻抗並無法達成，因為充電電流若變成零，理論上就不會發生電壓下降現象。如(圖二)所示檢測電壓前與檢測電壓後，暫時停止充電電流所謂的「break through方式」。
由於本快速充電器具備特殊的充電控制技術，因此無法使用MAX713特殊IC，必需改用8位元微處理器PIC16F876。
(圖三)是利用圖一介紹的電池與Active Charger，進行充電時的充電特性。基本上它是在充電中途用手指觸摸電池，使接觸阻抗產生變化，接著利用幾乎不會對system DMM自動檢測造成任何影響的R655檢測充電電壓，由於DMM的測定值內包含電池盒與connector產生的電壓下降成份，因此實際電壓變動非常大，不過對PIC微處理器的A-D變換值而言，完全不會造成任何不良影響，由此可知採用break through方式，可以獲得正確的電池電壓變化資料。
此外本快速充電器是利用serial信號，依序輸出PIC微處理器內部變數狀態，因此可輕易利用PC監控（monitor）PIC微處理器內部狀況，如圖三所示。具體方法是利用DMM檢測電壓，再經過GP-IB與Easy GPIB擷取資料，並用Excel同步觀測設備內外的狀態。值得一提的是Easy Comm.與Easy GPIB是自行開發的free tool。
dV counter方式
雖然接觸阻抗的影響可以利用break through方式排除，不過充電電流如果發生變動，電池電壓也會隨著改變，如此一來break through方式就無法發揮預期效果，此外本快速充電器被設計成可作充電電流切換，因此必需採用其它對策，才能有效克服接觸阻抗的影響。
(圖四)是充電電池的充電曲線實例，由圖可知由於充電模式的切換，電池電壓會朝下方移動，造成檢測電路誤動作與停止充電等後果，為防止這種現象因此出現所謂的「dV counter方式」。
若與前測定值比較，dV counter方式即使發生變化，dV counter都可控制在±1範圍內，亦即在＋1～－１之間，如果是0的場合便停止counter，因此不會有低於0的困擾。
(圖五)(a)是正常狀態時的電池電壓與dV counter的變化，由圖可知電壓變化出現增加趨勢時，雖然dV counter維持0狀態，不過一旦出現電壓變化減緩趨勢時，電壓變化會隨著檢測時段逐漸成為counter up狀態，到達一定值（大約是4）時，檢測便結束充電動作。
圖五(b)是充電途中檢測值朝下方移動時的dV counter動作特性，由圖可知對dV counter的影響，不因電壓變動減緩始終維持1 counter，因此幾乎不會影響的檢測。如果的檢測改用微分電路，檢測電路在圖五(b)狀態時，就會發生誤動作。有關dV counter，理論上即使檢測電壓產生巨大變化，dV counter都能控制在±1範圍內。
(圖六)是實際充電電壓（A-D轉換值）與dV counter的動作特性，由圖可知雖然充電中途如果改變充電電流，檢測值會朝下方移動，不過即使如此對dV counter完全沒有影響。一旦接近，dV counter值會呈現上升傾向，直到4 counter時才停止。由於本快速充電器停止充電後，必需重新設定變數所以無法描繪最終值，不過根據以上實驗結果顯示dV counter方式，基本上已經展現預期的動作效果。
電路結構
(圖七)是本快速充電器的電路圖。雖然利用PIC微處理器可使電路結構變得非常簡潔，不過本電路仍可作各種複雜模式的充電動作。有關PIC微處理器周邊電路的特性，基於篇幅限制無法詳細說明。電路圖右側兩個對稱部份是本快速充電器的主要電路。
(圖八)是主要電路概要說明圖，雖然它是由block 0與block 1所構成，不過兩個block的動作特性完全相同，因此只介紹block 0的動作特性。
圖八的與是簡易定電流電路，該電路利用信號CGH12控制2A充電電流的ON/OFF，此外必需注意的是必需作散熱設計。（PASS 1）與（PASS 2）是電池盒未裝設電池時，可將充電電流作bypass的FET元件。(圖九)是未裝設電池2時，充電電流的流動方式。由於break through方式檢測電池電壓，是在與 ON狀態下進行，所以與的電壓都可獲得GND level基準。
動作模式說明
normal mode
normal mode是指4顆電池同時充電模式。本快速充電器一旦開始進行充電，就成為normal mode，此時各充電block以50ms的間隔交互ON，因此平均充電電流為1A，4顆電池每顆都是1A合計是4A，不過實際上電源只有2A，所以必需使用已商品化可輸出5V，2.3A電力的switching regulator type AC adapter，此外本快速充電器必需裝設5V的電源穩壓器。
turbo mode 1與turbo mode 2
若按turbo按鍵就成為turbo mode。turbo mode共有兩種形式，分別是電池3或電池4，其中一個裝設時的turbo mode 1，與電池3以及電池4同時裝設時的turbo mode 2兩種。
由於turbo mode 1必需用FET元件，將充電電流bypass，因此此處利用降低ON的時間，藉此抑制FET的發熱量。(表二)是turbo mode 1與turbo mode 2的電流分配特性。
表二 各種充電模式的電流分配特性|
Mode |
ON時間 |
OFF時間 |
充電電流 |
電源電流 |
備註 |
Normal |
50ms |
50ms |
1A |
2A |
可同時作1～4個電池充電 |
turbo 1 |
40ms |
10ms |
1.6A |
1.6A |
電池3與4其中一個充電 |
turbo 2 |
連續ON |
2A |
2A |
電池3與4同時充電 |
|
製作重點
本快速充電器被設計成可作2號、3號、4號各種鎳氫/鎳鎘電池充電，因此採用connector與各電池連接電池盒的方式。值得注意的是電池盒的選用必需非常謹慎，否則電池盒會有溶化（melt）之虞，筆者建議使用Keystone Electronics製作的金屬材質電池盒，這種金屬材質電池盒具有耐熱特性，所以非常適合應用於快速充電器。此外為避免端子部與connector內部短路，因此端子部與connector都必需用熱縮套管隔絕。
與兩元件會發熱，所以裝設through hole type散熱器（heat sink）增加散熱效果；為2.5V驅動的power MOSFET，該MOSFET低gate電壓時會變成ON。相反的若不使用FET元件，就無法將電流bypass，同時會造成電池過熱問題，換句話說如果使用替代元件時，必需特別注意電池過熱問題；由於常見的silicon diode順電壓壓降過大，不適合本快速充電器使用，因此分別使用2A等級的shot key barrier diode。外殼鈑金為厚1.2mm鋁合金製成，正面粘貼有利用back print film製成的裝飾panel。
雖然本快速充電器的sequence動作很簡易，不過充電時必需單獨監控各電池，所以變數與管理相對的非常多，大部份的處理採取定時插入方式。由於插入是每隔50ms進行一次，所以block 0與block 1的處理，是以100ms間隔交互執行，最後的插入處理含有將內部變數當作serial data送信處理成份，因此利用PC擷取該處理結果，並監控內部狀態，使用軟體則是用MPLAB編寫。
充電狀態可用(圖十)所示的pattern以LED點滅方式顯示。圖中的「預備充電」是指未檢測，強制性充電時段而言。電池裝設後，本快速充電器會持續三分鐘進行預備充電，主要原因是針對長期放置的電池充電時，充電初期會產生所謂的現象，為避免充電器停止充電，所以作預備性充電設計。此外已充電的4號電池若作turbo充電時，會有過充電之虞，基於安全考量預備充電時間被設計成三分鐘。
本快速充電器亦可支援2號電池的充電，所以total timer被設計成180分；如果是3號以下小容量鎳氫、鎳鎘電池充電時，充電時間大約90分即可。(圖十一)是3號鎳氫電池的充電特性。如上所述turbo mode充電可分成turbo mode 1與turbo mode 2兩種，因此測試時裝填兩個電池，並以2A最大充電電流的turbo mode 2方式進行。
(圖十二)是利用dV counter與break through方式製成的006型鎳氫、鎳鎘快速充電器的電路圖，該電路使用8pin DIP flash type PIC12F675，電路內建10位元A-D inverter，由於內建URT無monitor輸出專用serial輸出端子，因此使用軟體監控（monitor）電池的充電狀態。此外多餘的pin可當作溫度檢測用thermistor的輸出，亦可當作電池pack的充電機。為配合鎳氫、鎳鎘電池的容量，所以充電電流被設計成170mA。由於本充電器的充電對象為006型鎳氫、鎳鎘電池，因此未作複雜的電路設計，換言之dV counter與break through方式製成快速充電器的程式也比Active Charger簡單。
結語
雖然Active Charger的電池充放電時間比較長，不過卻可利用Easy Comm、Easy GPIB與Excel等軟體，以及簡單的硬體工具縮短充放電時間，並大幅改善測試方法。整體而言Active Charger具備單數電池充電功能，這種全新創舉使得消費者不再受到電池數量的限制，可隨時作單數電池快速充電。
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