El cargador de batería de iones de litio permite elegir el método de terminación e incluye un regulador de baja caída ajustable de 100 mA

Las baterías de iones de litio, incluido el polímero de iones de litio, se acercan relativamente a ser la batería perfecta: alta densidad de energía, peso ligero, baja autodescarga, alto voltaje (en comparación con otras celdas), sin problemas de memoria, bajo mantenimiento y, lo mejor de todo, son fáciles de cargar. Por supuesto, también hay algunas desventajas, pero dejemos eso para más adelante en este artículo.

Dado que muchos productos portátiles pueden operar desde una sola celda de iones de litio, muchos cargadores de una sola celda utilizan una topología lineal, en lugar de una de conmutación. Los cargadores lineales son más simples que los conmutadores y comparablemente eficientes con el bajo diferencial de voltaje de entrada a salida típico de los dispositivos portátiles.

Este artículo presenta un cargador de batería 1A independiente simple que combina muchas características deseables del cargador y un regulador LDO en un pequeño paquete DFN de bajo perfil de 3 mm × 3 mm. Además, se analizan brevemente las ventajas y desventajas de las baterías de iones de litio y los métodos de carga.

Existen varios métodos recomendados para cargar celdas de iones de litio. Un método es aplicar un voltaje constante limitado de corriente a la batería durante tres horas y luego detenerse. Con este método, la batería estará cargada al 100 % después de 3 horas, siempre que la corriente de carga esté configurada entre aproximadamente C¹ y C/2.

Un segundo método similar es aplicar un voltaje constante limitado por corriente a la batería mientras se monitorea la corriente de carga. Durante la primera parte del ciclo de carga, el cargador está en modo de corriente constante, con el voltaje de la batería aumentando lentamente a medida que la batería acepta la carga. A medida que el voltaje de la batería se acerca al voltaje constante (flotante) programado, la corriente de carga comienza a caer exponencialmente. Cuando la corriente de carga cae a un valor suficientemente bajo, el cargador deja de cargar. Dependiendo de la corriente de carga mínima seleccionada, la batería está cargada entre el 95 % y el 100 %. Dado que las baterías de iones de litio no pueden absorber una sobrecarga, toda la corriente de carga debe detenerse cuando la batería se carga por completo.

El LTC4063 es un cargador de batería de iones de litio de celda única completo que brinda al usuario una opción de métodos de terminación de carga e incluye un regulador lineal ajustable de baja caída de 100 mA. Además del habitual algoritmo de carga de corriente constante/voltaje constante, otras características deseables incluyen la limitación de potencia que reduce la corriente de carga en condiciones de alta temperatura ambiente y/o alta disipación de potencia. Esto permite que el cargador proporcione corrientes de carga más altas en condiciones normales y aún proporcione una carga segura en condiciones anormales, como temperatura ambiente alta, voltaje de entrada alto o voltaje de batería bajo.

El LTC4063 contiene muchas características comunes de otros cargadores de iones de litio, incluida la carga lenta para batería baja, recarga automática, monitor de corriente de carga, salida de estado de carga, capaz de cargar desde alimentación USB, corriente de drenaje de batería baja cuando V_EN se retira y la precisión (±0,35 %) de la tensión de flotación de la batería.

Lo que diferencia a este cargador lineal de otros cargadores de una sola celda es la terminación de carga seleccionable y el regulador de voltaje integrado. La terminación puede basarse en el tiempo total, que es programable, o en la corriente de carga mínima, que también es programable, o el usuario puede detener el ciclo de carga a través del pin de activación de carga.

El regulador de caída baja, que se alimenta de la batería, es ajustable de 1 V a casi 4,2 V y puede proporcionar hasta 100 mA a una carga. Una corriente de reposo de funcionamiento baja de 15 µA y una corriente de apagado de 2,5 µA prolongan la vida útil de la batería.

La primera parte de un ciclo de carga consiste en forzar una corriente constante (típicamente 1C) en la batería hasta que el voltaje de la celda se acerque al voltaje de flotación programado (típicamente 4.2V ±1% o mejor) momento en el cual la corriente de carga comienza a caer. Para una batería agotada, esto ocurre después de aproximadamente 30 minutos con el estado de carga de la batería en aproximadamente el 55 % de su capacidad total. Dado que la corriente de carga cae con bastante rapidez en la porción de voltaje constante del ciclo de carga, la batería requiere otras 2 horas para llevar la batería al 100% del nivel de carga. Desafortunadamente, no se puede hacer mucho para acelerar esta parte del ciclo de carga sin exceder el voltaje de carga recomendado.

Algunos cargadores utilizan un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) que se encuentra cerca o dentro del paquete de baterías para medir la temperatura de la batería. Esto protege la batería al no permitir que comience un ciclo de carga si la temperatura de la batería es inferior a 0 °C o superior a 50 °C. Durante un ciclo de carga normal, la temperatura de las baterías de iones de litio aumenta muy poco.

La figura 1 muestra un ciclo de carga LTC4063 para una batería de polímero de iones de litio de 900 mAh que se carga a una velocidad de 1 C. Las curvas muestran la relación entre la corriente de carga, el voltaje de la batería, la capacidad de carga y la CHRG señal de salida. Dado que se seleccionó el método de finalización del temporizador, el ciclo de carga finalizó después de aproximadamente 172 minutos con la batería al 100 % del nivel de carga. (Nota: la corriente de carga cerca del final del ciclo de carga es muy baja, 6 mA). En la figura 1 también se muestra el CHRG señal de salida de drenaje abierto, que se programó para subir cuando la corriente de carga cayó por debajo de 50 mA (I_DETECTAR umbral) o aproximadamente C/20.

Si se hubiera seleccionado el método de terminación de corriente de carga mínima en lugar del método de temporizador, el ciclo de carga habría terminado cuando el CHRG la señal fue alta (después de 105 minutos). En ese momento, la batería está cargada aproximadamente en un 97 % y se necesitaría otra hora para cargar el último 3 %. El yo programable_DETECTAR El nivel de umbral actual del LTC4063 tiene una precisión excelente, incluso a niveles de corriente tan bajos como 5 mA. Programando un I bajo_DETECTAR actual y seleccionar la terminación de corriente mínima daría como resultado que el ciclo de carga termine aproximadamente al mismo tiempo que la terminación del temporizador.

¿Qué terminación es mejor? Del párrafo anterior, parece que puede que no haga mucha diferencia porque al seleccionar un I bajo_DETECTAR nivel actual, los dos métodos pueden hacerse virtualmente idénticos. La terminación de corriente de carga mínima puede tener una ventaja en una situación en la que es posible que sea necesario seleccionar diferentes niveles de corriente de carga durante un ciclo de carga, o cuando se carga una batería que todavía tiene una carga parcial, el ciclo de carga puede ser muy corto. Pero la terminación del temporizador puede ser mejor si una carga que es mayor que la I programada_DETECTAR el nivel actual está permanentemente conectado a la batería. En esa situación, el ciclo de carga nunca puede terminar. Además, en la finalización del temporizador, si la batería no alcanza el umbral de recarga de 4,1 V cuando finaliza el temporizador, el temporizador se reinicia y comienza un nuevo ciclo de carga.

La corriente de carga correcta siempre está relacionada con la capacidad de la batería, o simplemente “C”. La letra "C" es un término utilizado para indicar la capacidad de descarga de la batería indicada por el fabricante, que se mide en mAHr. Por ejemplo, una batería nominal de 900 mAhr puede suministrar una carga de 900 mA durante una hora antes de que se agote la celda. En el mismo ejemplo, cargar la batería a una tasa de C/3 significaría cargarla a 300 mA.

Dentro de la familia de baterías de iones de litio existen varias formulaciones: principalmente óxido de cobalto de litio u óxido de manganeso de litio como electrodo positivo, y coque o grafito como electrodo negativo. El electrolito es un líquido en celdas cilíndricas o un sólido o un gel en celdas de polímero de iones de litio. Dado que no se usa líquido en las celdas de polímero, el paquete de celdas puede consistir en una bolsa de aluminio liviana y económica que se puede fabricar en varias formas, incluidas celdas muy delgadas, ideal para teléfonos celulares y otros dispositivos portátiles pequeños. Aunque las características de descarga y el rendimiento de los diferentes tipos de celdas de iones de litio varían, las características de carga son esencialmente las mismas.

La tecnología de baterías de litio recargables es relativamente nueva y, debido a eso, muchas mejoras en el rendimiento futuro de las baterías están casi garantizadas. Diferentes materiales, productos químicos y construcción, sin duda, producirán una batería que se acerque cada vez más a la batería perfecta.

El voltaje de carga recomendado es un compromiso entre la capacidad de la celda, la vida útil de la celda y la seguridad de la celda. Los voltajes de carga más altos aumentan la capacidad de la celda en mAhr, pero acortan la vida útil de la celda. También hay límites superiores que deben cumplirse por razones de seguridad. El voltaje de carga más común es de 4,2 V ± 1 %, aunque los futuros diseños de baterías pueden tener un voltaje ligeramente superior. En aplicaciones que favorecen la vida útil del ciclo sobre la capacidad de la celda, un voltaje de carga más bajo aumenta en gran medida la vida útil del ciclo. Los ciclos de descarga superficial en lugar de los profundos también aumentan la vida útil del ciclo. El final de la vida útil de una batería de iones de litio suele ser cuando su capacidad cae al 80 % de su valor nominal.

Un hecho menos conocido sobre las baterías de iones de litio es su característica de envejecimiento. Las baterías de iones de litio tienen una vida útil limitada, ya sea que se almacenen o se usen a diario. La pérdida de capacidad permanente, especialmente para las químicas de manganeso y litio, aumenta con el nivel de carga y la temperatura. Por ejemplo, almacenar una batería con un nivel de carga del 40 % a 25 °C durante un año podría resultar en una pérdida de capacidad permanente del 4 %, mientras que si se almacena con un nivel de carga del 100 %, la pérdida de capacidad permanente sería cercana al 20 %. . Almacenado al 100 % del nivel de carga a 40 °C, podría producir una pérdida de capacidad permanente de hasta el 35 % después de un año. Por supuesto, las mejoras adicionales en la tecnología de baterías de iones de litio seguramente minimizarán el envejecimiento.

Las baterías de iones de litio no pueden absorber la sobrecarga. La corriente de carga debe detenerse por completo cuando la batería alcance la carga completa. La sobrecarga puede causar un recubrimiento interno de metal de litio, lo cual es un problema de seguridad. Además, las baterías de iones de litio no deben descargarse por debajo de 2,5 V a 3 V, dependiendo de la química de la batería, ya que se puede formar un revestimiento de cobre interno que provoque un cortocircuito.

La mayoría de los fabricantes de baterías de iones de litio no venderán baterías a menos que incluyan circuitos integrados de protección del paquete de baterías por seguridad y para prolongar la vida útil de la batería. El circuito incluye un interruptor FET en serie con la batería que se apaga en caso de una condición de sobrevoltaje, bajo voltaje, sobrecorriente y sobretemperatura al cargar o descargar la batería. Un sobrevoltaje prolongado durante la carga puede provocar que la batería se sobrecaliente, reviente o incluso explote. Al descargar, la protección del paquete desconecta la batería si el voltaje de la batería cae por debajo de un nivel de umbral predeterminado o si la corriente de la batería excede un límite preestablecido. Sin la protección del paquete, las baterías de iones de litio pueden dañarse fácilmente o, lo que es peor, pueden causar daños a otros circuitos o lesiones corporales.

El cargador de batería de iones de litio LTC4063 proporciona al usuario una excelente combinación de empaque (3 mm × 3 mm DFN), alta corriente de carga (1 A), tensión de flotación ajustada (0,35 %), baja I_DETECTAR capacidad de corriente (5mA), opción de terminación y un regulador LDO de 100mA integrado. Otros dos cargadores comparten características de carga similares pero difieren en características. El LTC4061 no tiene regulador, pero incluye una entrada de calificación de temperatura NTC, una entrada de selección de corriente USB y una salida de estado adicional. El LTC4062 reemplaza el regulador LDO con un comparador y una referencia programables y también incluye una entrada de selección de corriente USB.