Jauges de gaz à piles minuscules et précises avec interface I2C facile à utiliser et résistances de détection de précision intégrées en option

Imagine que ta fille attrape sa première vague sur une planche de surf et que ta caméra vidéo s'arrête parce que la batterie, qui était à moitié pleine lorsque tu as commencé à filmer il y a quelques minutes, est soudainement vide. Le problème est une jauge à essence inexacte de la batterie. Le jaugeage inexact de l'essence est une nuisance courante car de nombreux appareils portables déduisent la capacité restante de la batterie directement de sa tension. Cette méthode est bon marché mais inexacte car la relation entre la tension et la capacité de la batterie dépend de manière complexe de la température, des conditions de charge et de l'historique d'utilisation.

Il est possible d'obtenir une jauge de batterie plus précise en surveillant non seulement la tension de la batterie mais aussi en suivant la charge qui entre et sort de la batterie. Pour les applications nécessitant une mesure précise du gaz de la batterie, les compteurs de coulomb LTC2941 et LTC2942 sont des solutions minuscules et faciles à utiliser. Ces appareils riches en fonctionnalités sont suffisamment petits et intégrés pour s'intégrer facilement dans les derniers gadgets de poche.

Le LTC2941 est un dispositif de mesure de gaz de batterie conçu pour être utilisé avec des cellules Li-Ion simples et d'autres types de batteries dont la tension aux bornes est comprise entre 2,7V et 5,5V. Un compteur de coulomb de précision intègre le courant à travers une résistance de détection entre la borne positive de la batterie et la charge ou le chargeur. La résistance de détection côté haut évite de diviser le chemin de terre dans l'application. L'état de charge est continuellement mis à jour dans un registre de charge accumulée (ACR) qui peut être lu via une interface SMBUS/I²C. Le LTC2941 dispose également de seuils haut et bas programmables pour la charge accumulée. Si un seuil est dépassé, l'appareil communique une alerte en utilisant le protocole d'alerte SMBUS ou en activant un drapeau dans le registre d'état interne.

Le LTC2942 ajoute un CAN à la fonctionnalité de compteur de coulomb du LTC2941. L'ADC mesure la tension de la batterie et la température de la puce et fournit des seuils programmables pour ces quantités également.

Les LTC2941 et LTC2942 sont compatibles avec les broches et se présentent dans de minuscules boîtiers DFN à 6 broches de 2 mm × 3 mm. Chacun ne consomme que 75μA en fonctionnement normal. La figure 1 montre le LTC2942 surveillant l'état de charge d'une batterie Li-ion à une seule cellule.

La charge est l'intégrale temporelle du courant. Les LTC2941 et LTC2942 utilisent un temps continu analogique intégrateur pour déterminer la charge à partir de la chute de tension développée aux bornes de la résistance de détection R_SENSE comme le montre la figure 2.

La tension différentielle entre SENSE⁺ et SENSE^- est appliquée à un intégrateur différentiel à auto-zéro pour convertir le courant mesuré en charge, comme le montre la Figure 2. Lorsque la sortie de l'intégrateur atteint les niveaux REFHI ou REFLO, les commutateurs S1, S2, S3 et S4 basculent pour inverser le sens de la rampe. En observant l'état des commutateurs et la direction de la rampe, la polarité est déterminée. Un prescaler programmable ajuste le temps d'intégration pour correspondre à la capacité de la batterie. À chaque dépassement inférieur ou supérieur du prescaler, la valeur ACR est incrémentée ou décrémentée d'un compte. La valeur de la charge accumulée est lue via l'interface I²Interface C.

L'utilisation d'un intégrateur analogique distingue les compteurs de coulomb LTC de la plupart des autres jauges à gaz disponibles sur le marché. Il est courant d'utiliser un CAN pour échantillonner périodiquement la chute de tension sur la résistance de détection et intégrer numériquement les valeurs échantillonnées dans le temps. Cette mise en œuvre présente deux inconvénients majeurs. Tout d'abord, toute pointe de courant survenant entre les instants d'échantillonnage est perdue, ce qui entraîne une précision plutôt médiocre, en particulier dans les applications avec des charges pulsées. Deuxièmement, l'intégration numérique limite la précision à la précision de la base de temps disponible, généralement faible si elle n'est pas fournie par des composants externes supplémentaires.

En revanche, le compteur de coulomb des LTC2941 et LTC2942 atteint une précision supérieure à 1 % sur une large gamme de signaux d'entrée, de tensions de batterie et de températures sans ces composants externes, comme le montrent les figures 3 et 4.

La précision de la surveillance de la charge dépend non seulement de la précision de la jauge de gaz de batterie choisie, mais aussi de la précision de la résistance de détection. Les LTC2941-1 et LTC2942-1 suppriment la nécessité d'une résistance externe de haute précision en incluant une résistance de détection interne de 50mΩ, ajustée en usine. Des circuits internes exclusifs compensent le coefficient de température de la résistance métallique intégrée à une erreur résiduelle de seulement 50ppm/°C, ce qui fait des LTC2941-1 et LTC2942-1 de loin les jauges de gaz à batterie à résistance de détection interne les plus précises disponibles aujourd'hui.

Le LTC2942 comprend un processeur 14 bits sans latence ΔΣ^™ convertisseur analogique-numérique avec horloge interne et circuits de référence de tension pour mesurer la tension de la batterie. Le circuit de référence intégré a un coefficient de température généralement inférieur à 20ppm/°C, ce qui donne une erreur de gain du CAN inférieure à 0,3 % de -45°C à 85°C (voir Figure 5). La non-linéarité intégrale de l'ADC est généralement inférieure à 0,5LSB, comme le montre la Figure 6.

L'ADC est également utilisé pour lire la sortie du capteur de température intégré. Le capteur génère une tension proportionnelle à la température avec une pente de 2,5mV/°C, ce qui donne une tension de 750mV à 27°C. L'erreur totale de température est généralement inférieure à ±2°C, comme le montre la Figure 7.

La conversion de la température ou de la tension est déclenchée par la mise en place du registre de contrôle via l'interface I²C. Le LTC2942 dispose également d'un mode automatique optionnel dans lequel une conversion de tension et une conversion de température sont exécutées une fois par seconde. À la fin de chaque conversion, les registres correspondants sont mis à jour avant que le convertisseur ne se mette en veille pour minimiser le courant de repos. La Figure 8 montre un schéma fonctionnel du LTC2942, avec le compteur de coulomb et son ACR, le capteur de température, l'ADC avec les registres de données correspondants et l'I²Interface C.

La figure 9 montre une application portable conçue pour charger une batterie Li-Ion à partir d'une connexion USB. Le LTC2942-1 surveille l'état de charge d'une batterie Li-Ion à un seul élément en association avec le chargeur de batterie/ gestionnaire d'alimentation USB à haut rendement LTC4088-1.

Une fois qu'un cycle de charge est terminé, le LTC4088-1 libère la broche CHRG. Le microcontrôleur le détecte et règle le registre de charge accumulée sur plein, soit en l'écrivant via l'interface I²C ou en appliquant une impulsion à la charge complète (AL/CC) de la broche du LTC2942-1 (si elle est configurée en entrée). Une fois initialisé, le LTC2942-1 surveille avec précision la charge qui entre et sort de la batterie, et le microcontrôleur peut surveiller l'état de charge en lisant le registre de charge accumulée via la broche I²Interface C.

La surveillance de l'énergie en temps réel est de plus en plus utilisée dans les systèmes non portables alimentés par le mur, comme les serveurs ou les équipements de réseau. Les LTC2941 et LTC2942 sont tout aussi bien adaptés à la surveillance du flux d'énergie dans n'importe quelle application à rail 3.3V ou 5V que dans les applications alimentées par batterie. La figure 10 montre un exemple.

Avec une tension d'alimentation constante, la charge traversant la résistance de détection est proportionnelle à l'énergie consommée par la charge. Ainsi, plusieurs appareils LTC2941 peuvent aider à déterminer exactement où l'énergie du système est consommée.

Les LTC2941 et LTC2942 ne sont pas limités aux applications Li-Ion à cellule unique. Ils peuvent également surveiller l'état de charge d'une pile de batteries, comme le montre la Figure 11.

Dans cette configuration, la consommation électrique de la jauge à gaz peut entraîner un déséquilibre inacceptable entre les cellules Li-Ion inférieures et supérieures de la pile. Ce déséquilibre peut être éliminé en supervisant chaque cellule individuellement, comme le montre la Figure 12.

En surveillant l'état de charge de chaque cellule, le LTC2942-1 fournit suffisamment d'informations pour équilibrer les cellules pendant la charge et la décharge.

La capacité de la batterie varie en fonction de la température et du vieillissement. Il existe une grande variété d'approches et d'algorithmes pour suivre la capacité de la batterie, adaptés à des applications spécifiques et à la chimie de la batterie. Le LTC2942 mesure toutes les quantités physiques - charge, tension, température et (en différenciant la charge) courant - nécessaires pour modéliser les effets de la température et du vieillissement sur la capacité de la batterie. Les quantités mesurées sont facilement accessibles en lisant les registres correspondants avec des I²Commandes C. Aucun langage d'instruction ou programmation spéciale n'est nécessaire.

Les LTC2941 et LTC2942 n'imposent pas une approche ou un algorithme particulier pour déterminer la capacité de la batterie à partir des quantités mesurées, mais permettent au concepteur du système de mettre en œuvre des algorithmes adaptés aux besoins particuliers du système via le contrôleur hôte. Le microcontrôleur peut ensuite simplement adapter les seuils de charge des LTC2941 et LTC2942 en fonction de ces calculs.

La jauge de gaz de la batterie est une fonctionnalité qui accuse un retard par rapport aux autres améliorations technologiques de nombreux appareils électroniques portables. Les compteurs de coulomb intégrés LTC2941 et LTC2942 résolvent ce problème avec une mesure précise du gaz de la batterie, facile à mettre en œuvre et à intégrer dans les dernières applications portables. Pour une grande précision dans les endroits les plus exigus, les versions LTC2941-1 et LTC2942-1 intègrent des résistances de détection ajustées en usine et compensées en température pour obtenir les meilleurs petits compteurs de coulomb. Cette nouvelle famille de compteurs de coulomb précis peut t'aider à ne plus jamais manquer ces moments de vacances inestimables à cause d'un contrôle inexact de la charge de la batterie.