Cargador de batería inteligente para respaldo de batería

La fuente de alimentación más común que se utiliza para la energía de respaldo es una batería. En un sistema de energía de respaldo, es importante saber si la batería está lista y es confiable en todo momento al monitorear constantemente su salud y estado de carga. Las baterías inteligentes son actualmente el mejor sistema estándar de la industria disponible que puede satisfacer estos requisitos.

Dos características importantes de los sistemas de batería inteligente (SBS) son que son independientes de la química de la batería y proporcionan un indicador de gas incorporado. Debido a que el sistema de carga ya no tiene la carga de monitorear la carga y aplicar algoritmos de carga específicos de la química, el cargador en sí puede ser verdaderamente genérico y aceptar cualquier batería inteligente, independientemente del tipo o la capacidad. Un sistema host no necesita hacer nada más que proporcionar un cargador de batería inteligente para garantizar que una batería saludable se mantenga con carga completa y que se detecte una batería defectuosa.

Esto ciertamente simplifica el diseño del cargador. El mismo cargador se puede utilizar sin modificaciones en una variedad de productos. También simplifica las actualizaciones de campo y de fábrica a diferentes productos químicos o capacidades más altas.

El cargador de batería inteligente LTC4100 está destinado principalmente a configuraciones de batería grandes en productos portátiles que consumen mucha energía, como computadoras portátiles. Muchos productos nuevos no requieren la capacidad de alto voltaje del LTC4100, pero aún necesitan todas las ventajas de un sistema SBS. El LTC4101 es una versión especial del cargador de batería inteligente LTC4100 que está optimizado para funcionar con voltajes de batería inferiores a 5,5 V, al tiempo que conserva las ventajas de ahorro de espacio del LTC4100.

El LTC4101 es un cargador de batería inteligente compacto optimizado para voltajes de batería inferiores a 5,5 V. Reduce el tamaño total del circuito al reducir el tamaño de los componentes externos. Por ejemplo, aprovecha las características de ahorro de espacio de los condensadores cerámicos compactos y evita cualquier ruido audible. También opera a una alta frecuencia de conmutación de 300kHz, lo que permite el uso de un inductor muy pequeño y de bajo costo. Los valores del inductor pueden ser tan bajos como 4 µH a 4 A con 7,5 V de entrada.

El LTC4101 es un cargador de batería inteligente de nivel 2 (esclavo) que cumple con los estándares del cargador de batería inteligente V1.1 y SMBus V1.1. El rango de voltaje de entrada es de 6 V a 28 V, mientras que el rango de voltaje de carga de salida es de 3 V a 5,5 V. Un DAC de corriente de 10 bits y un DAC de voltaje de 11 bits, con una precisión de corriente del 5 % y una precisión de voltaje del 0,8 %, respectivamente, brindan capacidades de carga de precisión. Un MOSFET de canal P en la parte superior permite un ciclo de trabajo máximo del 98 %, lo que reduce drásticamente el número total de piezas y el número de pines del IC al mismo tiempo que mantiene una eficiencia superior al 95 % (consulte la Figura 2).

El LTC4101 también ofrece muchas características únicas, incluido un sistema de límite de voltaje y límite de corriente que evita que los errores de corrupción de datos de SMBus generen valores de carga dañinos. Un acelerador SMBus patentado¹ aumenta las tasas de datos en trazas de alta capacitancia al tiempo que evita que el ruido del bus dañe los datos (consulte la Figura 3).

La Figura 1 muestra un típico cargador compacto de una sola batería. Este circuito puede cargar baterías con hasta 1A y cambiar continuamente a corriente de carga cero. El LTC4101 es capaz de cargar corrientes de hasta 4A. Otras características incluyen:

• una señal de presencia de CA con puntos de disparo ajustables por el usuario con una precisión del 3 %
• un circuito de señal de seguridad que rechaza el disparo falso del termistor debido al rebote a tierra causado por la presencia repentina de corrientes de carga altas
• un circuito de diodo FET de entrada de CC que evita que la corriente de la batería fluya hacia atrás al adaptador de pared o a la fuente de alimentación de CC
• un circuito comparador de sobrevoltaje ultrarrápido que evita el sobrevoltaje cuando la batería se retira repentinamente o se desconecta durante la carga.
• Configuraciones VLIM e ILIM que se utilizan para proteger la batería de condiciones de voltaje o corriente excesivas que podrían ocurrir si hay errores de corrupción de datos en la comunicación SMBus.
• un circuito sensor de límite de corriente de entrada² que se utiliza para limitar la corriente de carga para evitar la sobrecarga del adaptador de pared a medida que aumenta la potencia del sistema.

Uno de los mayores cambios de ahorro de espacio que se ha producido en los últimos años es el uso de condensadores cerámicos de alta capacitancia y voltaje (alto C/V). En las aplicaciones de reguladores de conmutación, la baja ESR de la cerámica les permite manejar una corriente de ondulación relativamente grande por microfaradio sin dejar de ser relativamente económica. Los cargadores de baterías pueden obtener los mismos beneficios siempre que sus bucles de retroalimentación sean estables con capacitores cerámicos.

La cerámica viene con sus propios desafíos únicos, como las propiedades piezoeléctricas que pueden generar ruido audible si hay corrientes de CA con frecuencias audibles presentes. Dichas frecuencias pueden ocurrir en cargadores de baterías en dos extremos de carga: caída baja y carga liviana.

Los cargadores de batería se enfrentan a voltajes de adaptadores de pared que a menudo son solo unos pocos voltios por encima del voltaje máximo de la batería. Dependiendo del diseño, a medida que el cargador se acerca al 100 % del ciclo de trabajo, la frecuencia de conmutación pasa por el rango audible en el camino a CC. Alternativamente, las condiciones en las que la corriente de carga cae por debajo de la capacidad del controlador PWM para mantener la regulación pueden crear ciclos de conmutación discontinuos o saltos de ciclo. Los períodos de cambio de salto de ciclo pueden ocurrir en el rango audible. Esto suele suceder cuando las baterías se desconectan momentáneamente durante el proceso de carga para la evaluación de la condición de terminación, forzando así la corriente de carga a cero. Los condensadores cerámicos traducen el salto de ciclo o la actividad de conmutación de baja caída en ruido audible. El LTC4101 evita este problema cambiando continuamente bajo todas las cargas, incluso 0A.

Los diseñadores de sistemas de carga a menudo se ven obligados a reducir los valores de inductancia para aprovechar los componentes de factor de forma más pequeño. El problema es que una menor inductancia para una frecuencia de conmutación determinada da como resultado una mayor corriente de ondulación del inductor, lo que aumenta el tamaño del condensador de salida. Sin embargo, si uno aumenta la frecuencia de conmutación proporcionalmente a la reducción de la inductancia, la capacitancia de salida puede permanecer igual. El LTC4101 funciona a una frecuencia de conmutación de 300 kHz, lo que permite utilizar inductores pequeños y de bajo perfil.

La batería inteligente LTC4101 conserva todas las ventajas del factor de forma compacto de la LTC4100 y está optimizada para paquetes de baterías de bajo voltaje que se pueden encontrar en productos compactos que requieren respaldo de batería.

Notas:

¹ Número de patente de EE. UU. 6650174
² Número de patente de EE. UU. 5723970