El exclusivo bucle de control de entrada del cargador de baterías simplifica el seguimiento del punto de máxima potencia del panel solar

Los avances en la tecnología de las baterías y el rendimiento de los dispositivos han permitido la producción de complejos dispositivos electrónicos que funcionan durante largos periodos entre cargas. A pesar de ello, en algunos aparatos no es posible recargar las pilas enchufándolas a la red eléctrica. Los teléfonos de emergencia en carretera, las boyas de navegación y las estaciones remotas de control meteorológico son sólo algunas de las aplicaciones que no tienen acceso a la red eléctrica y, por tanto, necesitan recoger energía de su entorno.

Los paneles solares tienen un gran potencial como fuentes de energía para la recolección de energía: sólo necesitan baterías para almacenar la energía recolectada y proporcionar energía durante los períodos de oscuridad. Los paneles solares son relativamente caros, por lo que es importante extraer la máxima energía de los paneles para minimizar su tamaño. Lo difícil es encontrar un equilibrio entre el tamaño del panel solar y la potencia necesaria. Las características de los paneles solares exigen una gestión cuidadosa de la potencia del panel en relación con la carga, para optimizar eficazmente la potencia del panel en las distintas condiciones de iluminación.

Para un nivel de luz determinado, un panel solar tiene un punto de funcionamiento específico que produce la máxima cantidad de energía (véase la figura 1). Mantener este punto de potencia máxima durante el funcionamiento a medida que cambian las condiciones de iluminación se denomina seguimiento de la potencia máxima (MPPT). A menudo se utilizan complejos algoritmos para lograr esta función, como variar periódicamente la carga del panel mientras se miden directamente la tensión y la corriente de salida del panel, calcular la potencia de salida del panel y, a continuación, forzar el punto de funcionamiento que proporciona la máxima potencia de salida cuando cambian las condiciones de iluminación y/o temperatura. Este tipo de algoritmo suele requerir circuitos complejos y el control de un microprocesador.

Sin embargo, existe una interesante relación entre la tensión de salida de un panel solar y la potencia que produce el panel. La tensión de salida de un panel solar en el punto de máxima potencia permanece relativamente constante independientemente del nivel de iluminación. De ello se desprende que al forzar el funcionamiento del panel para que la tensión de salida se mantenga en esta tensión de máxima potencia (V_MP) da la potencia máxima del panel. Por lo tanto, un cargador de baterías puede mantener la transferencia de potencia máxima aprovechando este V_MP el MPPT es un rasgo característico en lugar de implementar complejos circuitos y algoritmos de MPPT.

El LT3652 es un completo cargador de baterías reductor monolítico que funciona con tensiones de entrada de hasta 32 V (40 V abs. máx.) y carga celdas de batería con tensiones de mantenimiento de hasta 14,4 V. El LT3652 incorpora un innovador circuito de regulación de entrada, que implementa un método sencillo y automático para controlar la tensión de alimentación del cargador cuando se utilizan fuentes mal reguladas, como los paneles solares. El LT3652HV, una versión de alto voltaje del cargador, está disponible para cargar celdas de batería con tensiones de flotación de hasta 18V.

El bucle de control de entrada mantiene el punto de máxima potencia de los paneles solares

El bucle de control de entrada del LT3652 reduce linealmente la corriente de carga de la batería de salida si la tensión de alimentación de entrada cae a un nivel programado. Este circuito de control de bucle cerrado controla la corriente de carga y, por tanto, la carga de la alimentación de entrada, para que la tensión de alimentación de entrada se mantenga en un nivel programado o por encima de él. Cuando se alimenta de un panel solar, el LT3652 implementa el funcionamiento MPPT simplemente programando el nivel mínimo de tensión de entrada a la tensión de máxima potencia del panel, V_MP. La tensión de pico deseada se programa mediante un divisor de resistencias.

Si, durante la carga, la potencia requerida por el LT3652 supera la potencia disponible del conjunto solar, el bucle de control de entrada del LT3652 disminuirá la corriente de carga. Esto puede ocurrir debido a un aumento de la corriente de carga de la batería deseada o a una disminución de los niveles de luz del conjunto. En ambos casos, el bucle de control mantiene la tensión de salida del conjunto en el valor programado de V_MP según lo definido por el divisor de resistencia en VIN_REG.

El bucle de control de entrada es un método sencillo y elegante para forzar el funcionamiento de la potencia máxima de un determinado conjunto solar. El bucle de control de la tensión de entrada también permite optimizar el funcionamiento de otros tipos de fuentes mal reguladas, en las que la potencia de entrada puede colapsar en condiciones de sobrecorriente.

Cargador de baterías integrado y completo

El LT3652 funciona a una frecuencia de conmutación fija de 1MHz, y ofrece una característica de carga de corriente/tensión constante (CC/CV). El dispositivo es programable mediante una resistencia externa para proporcionar una corriente de carga de hasta 2A, con una precisión de corriente de carga de ±5%. El CI es especialmente adecuado para los rangos de tensión asociados a los populares y económicos paneles solares de "sistema de 12 V", que suelen tener tensiones de circuito abierto de unos 25 V.

El cargador utiliza una referencia de retroalimentación de tensión de servicio de 3,3 V, que permite programar cualquier tensión de servicio de la batería de 3,3 V a 14,4 V (o hasta 18 V con el LT3652HV) con un divisor resistivo. La precisión de la retroalimentación de la tensión flotante para el LT3652 es de ±0,5%. El amplio rango de voltaje de salida del LT3652 se adapta a muchas químicas y configuraciones de baterías, incluyendo hasta tres celdas de Li-ion/polímero en serie, hasta cuatro LiFePO₄ (fosfato de hierro y litio) en serie, y baterías selladas de plomo-ácido (SLA) que contienen hasta seis elementos en serie. También está disponible el LT3652HV, una versión de alto voltaje del cargador. El LT3652HV funciona con tensiones de entrada de hasta 34 V y puede cargar tensiones de flotación de hasta 18 V, con lo que puede acomodar baterías de Li-ion/polímero de 4 celdas o de LiFePO de 5 celdas₄ celdas de la batería.

El LT3652 contiene un temporizador de seguridad programable que se utiliza para terminar la carga tras alcanzar un tiempo deseado. Basta con conectar un condensador a la patilla del temporizador para activar el temporizador. Poniendo en cortocircuito el pin TIMER a tierra, el LT3652 se configura para detener la carga cuando la corriente de carga cae por debajo del 10% del máximo programado (C/10), con una precisión de detección de C/10 de ±2,5%. El uso del temporizador de seguridad para detener la carga permite la carga por goteo a corrientes inferiores a C/10. Una vez completada la carga, el LT3652 pasa a un modo de espera de baja corriente (85µA). Una función de recarga automática inicia un nuevo ciclo de carga si la tensión de la batería cae un 2,5% por debajo de la tensión de mantenimiento programada. El LT3652 está empaquetado en paquetes DFN y MSOP de bajo perfil y 12 hilos de 3 mm × 3 mm.

Desconexión por baja corriente de reposo que ahorra energía

El LT3652 utiliza una clavija de apagado de umbral de precisión, lo que permite una implementación sencilla de las funciones de bloqueo por subtensión mediante un divisor de resistencias. En el modo de apagado de baja corriente, el LT3652 sólo consume 15µA de la alimentación de entrada. El CI también admite la carga con temperatura controlando la temperatura de la batería mediante un único termistor conectado a la patilla NTC de la pieza. El dispositivo tiene dos pines de estado de colector abierto con código binario que muestran el estado de funcionamiento del cargador de baterías LT3652, CHRG y DEFAULT. Estos pines de estado pueden controlar los LED para señalar visualmente el estado del cargador, o utilizarse como señales de nivel lógico para los sistemas de control.

La figura 2 muestra un LiFePO de 2 células 2A₄ cargador de baterías con gestión de la trayectoria de la energía. Este circuito alimenta la carga del sistema desde la batería cuando el panel solar no está suficientemente iluminado y directamente desde el panel solar cuando se dispone de la energía necesaria para la carga del sistema. El bucle de control de la tensión de entrada está programado para un panel de entrada de potencia máxima de 17 V. El cargador utiliza una terminación C/10, por lo que el circuito de carga se desactiva cuando la corriente de carga de la batería requerida cae por debajo de 200mA. Este cargador LT3652 también utiliza dos LEDs que proporcionan el estado y señalan las condiciones de fallo. Estas clavijas con código binario indican los modos de carga, espera o apagado de la batería, los fallos de temperatura de la batería y los fallos de batería mala.

El punto de regulación de la tensión de entrada se programa mediante un divisor de resistencia entre la salida del panel y el pin VIN_REG. La corriente de carga de salida máxima se reduce a medida que la tensión de salida del conjunto cae hacia los 17V, lo que corresponde a 2,7V en el pin VIN_REG. Por tanto, este bucle de control actúa para reducir dinámicamente las necesidades de potencia del sistema de carga a la máxima potencia que puede proporcionar el conjunto, manteniendo la utilización de la potencia del conjunto cerca del 100%, como se muestra en la figura 3.

El LT3652 requiere un diodo de bloqueo cuando se utiliza con tensiones de batería superiores a 4,2V. La caída de tensión a través de este diodo crea un término de pérdida de potencia que reduce la eficiencia de la carga. Este término puede reducirse significativamente sustituyendo el diodo de bloqueo por un FET de canal P, como se muestra en la figura 4.

La figura 4 muestra un LiFePO₄ cargador de 2A con una tensión flotante de 10,8V. Este cargador tiene un umbral de regulación de la tensión de entrada de 14,5V y se activa con el pin SHDN cuando V_EN ≥ 13V. El final del ciclo de carga está controlado por un ciclo de temporizador de 3 horas. El diodo de bloqueo que normalmente se utiliza en serie con la alimentación de entrada para proteger la tensión inversa se sustituye por un FET. Se utiliza una pinza de diodo Zener de 10 V para evitar que se supere el V máximo del FET_GS. Si el V_EN no supera el valor máximo de V_GS del FET de entrada, esta pinza no es necesaria.

Durante el periodo de carga de alta corriente de un ciclo de carga normal (I_CHG > C/10), la CHRG el pin de estado se mantiene bajo. En el cargador mostrado en la Figura 4, esta CHRG se utiliza para tirar de la puerta del FET de bloqueo hacia abajo, permitiendo una ruta de alimentación de baja impedancia que elimina el droop del diodo de bloqueo para mejorar la eficiencia de la conversión. La figura 5 muestra que la adición de este FET de bloqueo mejora la eficiencia en un 4% en comparación con el funcionamiento con un diodo Schottky de bloqueo.

Si se utiliza el temporizador para la terminación, el diodo del cuerpo del FET proporciona una vía de conducción una vez que se alcanzan corrientes de carga de < C/10, y el CHRG se convierte en alta impedancia. Si se desea, se puede dejar un diodo Schottky de bloqueo en paralelo con el FET de bloqueo para mejorar la eficiencia de conversión durante la parte de arranque del ciclo de carga controlado por el temporizador. El uso de un FETKEY como elemento de bloqueo también aumenta la eficacia de la recarga.

Cuando el LT3652 está bajo carga activa, el CI proporciona una carga interna en el bucle de conmutación para garantizar el funcionamiento en bucle cerrado en todas las condiciones. Esto se consigue inyectando 2mA en el pin BAT cada vez que se activa un ciclo de carga. En un cargador de baterías alimentado por un panel solar, las condiciones de poca luz pueden hacer que la tensión de entrada del panel solar caiga por debajo del umbral de regulación de entrada, haciendo que la corriente de carga de salida se reduzca a cero. Si el cargador permanece encendido durante esta condición (es decir, la tensión del conjunto se mantiene por encima del umbral UVLO), la carga interna de la batería provoca un consumo neto de corriente de la misma. Esto es indeseable por razones obvias, pero esta condición puede eliminarse incorporando un elemento de paso unidireccional que impida el reflujo de corriente desde la batería.

Linear Technology fabrica un CI de elemento de paso de alta eficiencia, el diodo ideal LTC4411, que tiene una caída efectiva hacia delante cercana a cero. El efecto sobre la eficiencia global del cargador y la tensión de servicio final es insignificante debido a la bajísima caída de avance durante la conducción.

La figura 6 muestra un cargador de baterías solares LT3652 que utiliza una protección contra la inversión de la luz utilizando un CI de diodo ideal LTC4411. En condiciones de poca luz, si la tensión del panel cae por debajo del umbral de regulación de entrada, el LT3652 reduce la corriente de carga de la batería a cero. En caso de que la tensión de entrada permanezca por encima del umbral UVLO, el cargador permanece activado pero se mantiene en un estado de corriente de carga cero. El LT3652 intenta hundir 2mA en la patilla BAT; sin embargo, el LTC4411 impide la conducción inversa de la batería.

El LT3652 puede utilizarse para aplicaciones de cargador elevador y reductor, incorporando un convertidor DC/DC elevador frontal. El convertidor frontal genera una alimentación local de alta tensión que el LT3652 puede utilizar como fuente de alimentación de entrada. El bucle de control de entrada del LT3652 funciona perfectamente cuando se envuelve en ambos convertidores.

La figura 7 muestra un cargador de iones de litio de 1,5 A alimentado por un panel solar de bajo voltaje con una tensión de servicio de 4,2 V. Este cargador está diseñado para funcionar con un panel solar con una tensión máxima de 3,8 V.

Se utiliza un convertidor de refuerzo de conmutación LT3479 que funciona a 1MHz para crear una alimentación de 8V, que se utiliza para alimentar el LT3652. Este cargador funciona con tensiones de entrada tan bajas como el umbral de regulación de entrada de 3,8 V, hasta 24 V, la tensión de entrada máxima del LT3479. A medida que las tensiones de entrada se acercan a los 8V (o más), el convertidor boost del LT3479 deja de regular, llegando a funcionar a un ciclo de trabajo del 0% y cortocircuitando la alimentación de entrada a través del diodo Schottky de paso al LT3652. Como el bucle de control de entrada supervisa la entrada del LT3479, cuando la tensión de entrada se desploma hasta el umbral de control de entrada, el LT3652 reduce la corriente de carga, reduciendo así los requisitos de corriente del convertidor elevador LT3479. La tensión de entrada se ralentiza hasta el punto de regulación, y la combinación del convertidor boost y el cargador LT3652 extrae la máxima potencia disponible del panel solar.

Se pueden utilizar varios cargadores LT3652 en paralelo para producir un cargador que supere la capacidad de corriente de carga de un solo LT3652. En la aplicación mostrada en la Figura 8, se conectan en paralelo tres conjuntos de cargadores LT3652 de 2A para producir un cargador de iones de litio de 3 celdas y 6A con una tensión de flotación de 12,3V que utiliza una terminación C/10. Este cargador es compatible con la energía solar, con un umbral de regulación de entrada de 20V. Este cargador también implementa un FET de bloqueo de entrada para aumentar la eficiencia de la carga.

Los tres CI cargadores LT3652 comparten una red de retroalimentación de tensión de flotación y una red de regulación de entrada comunes. Se recomienda una red de realimentación con una resistencia equivalente de 250kΩ para compensar las corrientes de polarización de entrada en el LT3652 V_FB pin. Como los tres LT3652 comparten la misma red de retroalimentación en este cargador, y las corrientes de polarización de entrada también son compartidas por la red, la resistencia equivalente de la red se reduce a 250k/3, es decir, a ~83kΩ.

Debido a las tolerancias de las tensiones de referencia, es probable que uno de los CI se encienda antes que el otro durante un evento de autorrecarga. En este caso, la batería se autodescargará hasta un máximo de 2A. Si la batería sigue descargándose debido a una carga >2A, el segundo cargador se encenderá. Las corrientes de descarga más altas activarán el tercer CI del cargador, permitiendo que éste produzca la corriente de carga completa del sistema de 6A. El sitio CHRG las patillas de todos los LT3652 están unidas para habilitar el FET de bloqueo de entrada, de modo que el FET es de baja impedancia, independientemente del orden de reinicio automático de los CI.

Las funciones de NTC y de estado son compartidas por los tres LT3652, y cada CI utiliza un termistor NTC dedicado. Los pines de estado de colector abierto de los CI están en cortocircuito, de modo que la activación de cualquiera o de todos los cargadores individuales enciende el interruptor de estado CHRG indicador de estado. Del mismo modo, un fallo de NTC en uno de los CI enciende el indicador de estado FALLO indicador de estado. Las funciones individuales del LT3652 NTC se controlan mediante un diodo conectado desde el común DEFAULT a los pines comunes VIN_REG de los tres circuitos integrados

Este diodo tira de la patilla VIN_REG por debajo del umbral de VIN_REG si uno de los CI dispara un fallo de NTC, lo que deshabilita toda la corriente de carga de salida hasta que se elimine la condición de fallo de temperatura.

El LT3652 es una plataforma versátil para soluciones sencillas y eficientes de cargadores de baterías alimentados por energía solar, aplicables a una amplia variedad de químicas y configuraciones de baterías. El LT3652 también está en casa en aplicaciones de alimentación convencional, proporcionando soluciones de carga pequeñas y eficientes para una amplia variedad de químicas de baterías y voltajes de celdas.

Las soluciones de carga con energía solar mantienen una utilización del panel cercana al 100%, reduciendo los costes de la solución gracias a la minimización de la superficie del panel. El tamaño compacto del CI, combinado con los modestos requisitos de los componentes externos, permite la construcción de sistemas de carga autónomos diminutos y de bajo coste, proporcionando una solución sencilla y eficaz para lograr una verdadera independencia de la red para los dispositivos electrónicos portátiles.

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En profundidad

Para un análisis en profundidad de la función de seguimiento del punto de máxima potencia del LT3652, consulta "Diseño de un cargador de baterías de células solares" en el número de diciembre de 2009 de la revista LT Magazine