Administrador de energía USB con regulador reductor Bat-Track de alto voltaje 2A

Introducción

Los dispositivos de navegación personal, los reproductores multimedia basados ​​en HDD, los accesorios para automóviles y otros productos portátiles utilizan una variedad de fuentes de energía para recargar sus baterías. Estas fuentes incluyen USB (nominalmente 5V), adaptadores de pared de bajo voltaje (4.5-5.5V), adaptadores de pared de alto voltaje (12V–24V), FireWire (8V–33V) y baterías automotrices (nominalmente 12V). La gran cantidad de fuentes disponibles conduce a una creciente necesidad de dispositivos portátiles que puedan aceptar una amplia gama de múltiples voltajes de entrada sin la necesidad de una miríada de adaptadores de alimentación externos.

El LTC4090 está diseñado para admitir fuentes USB y de alto voltaje mediante la integración de un regulador reductor de conmutación 2A de alto voltaje, una entrada USB, un PowerPath controlador y un cargador de batería lineal en un paquete compacto y mejorado térmicamente de 3 mm × 6 mm. La Figura 1 muestra una solución completa que cabe en menos de 3 cm2 con todos los componentes en un lado de la PCB (Figura 2).

Figura 1. El cargador de batería de iones de litio acepta entradas USB y de alto voltaje.

Figura 2. Un administrador de energía USB completo basado en LTC4090 con un regulador reductor de alto voltaje de 2 A cabe en 3 cm2.

Controlador PowerPath completo

El LTC4090 es un controlador PowerPath completo para aplicaciones alimentadas por batería. Está diseñado para recibir energía de una entrada USB (o adaptador de pared de 5 V), una fuente de alto voltaje y una batería de iones de litio de una celda. El controlador PowerPath distribuye la energía disponible, con la carga en el pin de SALIDA teniendo prioridad y cualquier corriente restante se usa para cargar la batería de iones de litio. La entrada de alto voltaje tiene prioridad sobre la entrada USB (es decir, si tanto HVIN como IN están conectados a fuentes de alimentación, la entrada HVIN proporciona la corriente de carga y la corriente de carga). La Figura 3 muestra un diagrama de bloques simplificado de la operación de PowerPath.

Figura 3. Diagrama de bloques simplificado del funcionamiento de LTC4090 PowerPath.

Límite de corriente de entrada USB

Las fuentes de alimentación con capacidad de corriente limitada (como USB) deben conectarse al pin IN, que tiene un límite de corriente programable. El límite de corriente de entrada se programa usando una sola resistencia externa, RCLPROG, desde el pin CLPROG a tierra. En la Figura 1, se eligió una resistencia CLPROG de 2,1 kΩ para programar el límite de corriente de entrada a 476 mA en el modo de alta potencia (cuando el pin HPWR se coloca alto) o 95 mA en el modo de baja potencia (cuando el pin HPWR se coloca bajo). Esto asegura que la aplicación cumpla con la especificación USB. La suma de la corriente de carga de la batería y la corriente de carga (que tiene prioridad) no excederá el límite de corriente de entrada programado.

Diodo ideal de BAT a OUT

Una función de diodo ideal entrega automáticamente energía a la carga a través del circuito de diodo ideal entre los pines BAT y OUT cuando la corriente de carga excede el límite de corriente de entrada programado o cuando la batería es el único suministro disponible. Alimentar la carga a través del diodo ideal en lugar de conectar la carga directamente a la batería permite que una batería completamente cargada permanezca completamente cargada hasta que se elimine la alimentación externa. El LTC4090 tiene un diodo ideal interno de 215 mΩ, así como un controlador para un diodo ideal externo opcional. En la Figura 1, se muestra un MOSFET de canal P externo, Q2, de BAT a OUT y sirve para aumentar aún más la conductancia del diodo ideal.

Regulador reductor de alto voltaje

El LTC4090 tiene un rango de voltaje de entrada operativo de 6 V a 36 V y puede soportar transitorios de voltaje de hasta 60 V. La salida del convertidor reductor, HVOUT, mantiene aproximadamente 300 mV en el cargador de batería de OUT a BAT para que la batería se pueda cargar de manera eficiente con el cargador lineal. La V mínimaHVOUT es de 3,6 V para garantizar que el sistema pueda funcionar incluso si la batería está excesivamente descargada. Como se muestra en la Figura 1, un PFET externo, Q1, entre HVOUT y OUT es controlado por el HVPR pin y permite que OUT suministre energía a la carga y cargue la batería. El convertidor reductor es capaz de generar hasta 2 A de corriente de salida.

Características del cargador de batería

El cargador de batería LTC4090 utiliza un exclusivo algoritmo de carga de temperatura constante, voltaje constante y corriente constante con corriente de carga programable de hasta 1,5 A y un voltaje de flotación final de 4,2 V ±0,8 %. La corriente de carga máxima se programa utilizando una única resistencia externa, RPROG, desde el pin PROG a tierra. En la Figura 1, una resistencia PROG de 71,5 k programa la corriente de carga máxima a 700 mA. Sin embargo, en caso de que solo haya una entrada USB, la corriente de carga se reduce para garantizar que no se exceda el límite de corriente de entrada programado. Para el circuito de la Figura 1, cuando solo hay una entrada USB, la corriente de carga máxima real se reduce a 476 mA.

En una operación típica, el ciclo de carga comienza en modo de corriente constante. Un fuerte tirón hacia abajo en el CHRG pin indica que la batería se está cargando. En el modo de corriente constante, la corriente de carga se establece mediante RPROG. Cuando la batería se acerca al voltaje de flotación final de 4,2 V, la corriente de carga comienza a disminuir a medida que el cargador de batería cambia al modo de voltaje constante. Cuando la corriente de carga cae al 10% de la corriente de carga a escala completa, comúnmente conocida como el punto C/10, el pin de estado de carga de drenaje abierto, CHRG, asume un estado de alta impedancia. Un capacitor externo en el pin TIMER establece el tiempo de carga mínimo total. En la Figura 1, un condensador de 0,1 µF en el pin TIMER proporciona un tiempo de carga mínimo de 2,145 horas. Cuando transcurre este tiempo, el ciclo de carga termina y el CHRG pin asume un estado de alta impedancia, si aún no lo ha hecho.

El tiempo de carga se extiende automáticamente

El LTC4090 tiene una función que extiende automáticamente el tiempo de carga si la corriente de carga en el modo de corriente constante se reduce durante el ciclo de carga. La reducción puede deberse a la regulación térmica oa la necesidad de mantener el límite de corriente de entrada programado. El tiempo de carga se extiende inversamente proporcional a la corriente de carga real entregada a la batería. La disminución de la corriente de carga a medida que el LTC4090 se acerca al modo de voltaje constante se debe a la operación de carga normal y no afecta la duración del temporizador.

Carga lenta y detección de batería defectuosa

Al comienzo de un ciclo de carga, si el voltaje de la batería es inferior a 2,9 V, el cargador se carga lentamente y reduce la corriente de carga al 10 % de la corriente de escala completa. Si el bajo voltaje de la batería persiste durante un cuarto del tiempo de carga total programado, se asume que la batería está defectuosa, el ciclo de carga finaliza y el CHRG La salida del pin asume un estado de alta impedancia. Si por alguna razón el voltaje de la batería sube por encima de ~2.9V, el ciclo de carga se reinicia.

Conclusión

El LTC4090 combina un regulador reductor de conmutación de alto voltaje, un cargador de batería de iones de litio con funciones completas y un controlador PowerPath en un pequeño paquete DFN de 3 mm × 6 mm. Su amplio rango de voltaje de entrada, alta corriente de carga programable y tamaño reducido.

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