Circuito de protección de batería de iones de litio de 4,5 µA

La Figura 1 muestra un circuito de bloqueo de bajo voltaje de precisión de potencia ultrabaja. El circuito monitorea el voltaje de una batería de iones de litio y desconecta la carga para proteger la batería de una descarga total cuando el voltaje de la batería cae por debajo del umbral de bloqueo. Almacenar un producto alimentado por batería en un estado descargado pone la batería en riesgo de descargarse por completo. En una condición descargada, la corriente al circuito de protección descarga continuamente la batería. Si la batería se descarga por debajo del voltaje de fin de descarga recomendado, el rendimiento general de la batería se degrada, el ciclo de vida se acorta y la batería puede morir prematuramente. Por el contrario, si el voltaje de bloqueo se establece demasiado alto, no se alcanza la capacidad máxima de la batería.

El modo de operación de batería baja se indica cuando, por ejemplo, un teléfono celular se apaga automáticamente después de que el indicador de batería baja ha estado parpadeando durante algún tiempo. Si el teléfono se extravía en esta condición y se encuentra meses después, el circuito de protección que se muestra en la Figura 1 no se agotará ni dañará la batería porque el circuito de protección consume menos de 4,5 µA de corriente. Con esta corriente baja, el tiempo que tarda la batería de iones de litio en alcanzar el voltaje de final de descarga se prolonga significativamente. Para otros circuitos de protección que generalmente requieren una corriente más alta, la tasa de descarga es más rápida, lo que permite que el voltaje de la batería caiga por debajo del límite seguro en un tiempo más corto. Tenga en cuenta que si se permite que la batería se descargue por debajo del límite seguro, se produce una pérdida de capacidad irrecuperable.

El LT1389 no es solo otra referencia de voltaje. Su bajísimo consumo de corriente lo convierte en la opción ideal para aplicaciones que requieren la máxima duración de la batería y una excelente precisión. Requiere solo 800 nA de corriente y proporciona una precisión de voltaje inicial del 0,05 % y una deriva de temperatura máxima de 20 ppm/°C, lo que equivale a una precisión absoluta del 0,19 % en el rango de temperatura comercial y del 0,3 % en el rango de temperatura industrial. Operando a una quinceava parte de la corriente requerida por las referencias típicas con una precisión comparable, el LT1389 es la referencia de voltaje de potencia más baja disponible en la actualidad. La referencia de tensión de derivación de precisión LT1389 está disponible en cuatro versiones de tensión fija: 1,25 V, 2,5 V, 4,096 V y 5,0 V. Está disponible en el paquete SO de 8 conductores, en grados de temperatura comercial e industrial.

Baja potencia (I_S < 1,5 µA) y las especificaciones de precisión hacen que el amplificador operacional de entrada/salida de riel a riel LT1495 sea el compañero perfecto para el LT1389. La corriente de suministro extremadamente baja se combina con excelentes especificaciones del amplificador: el voltaje de compensación de entrada es de 375 µV como máximo con una desviación típica de solo 0,4 µV/°C, la corriente de compensación de entrada es de 100 pA como máximo y la corriente de polarización de entrada es de 1 nA como máximo. Las características del dispositivo cambian poco en el rango de alimentación de 2,2 V a ±15 V. Las bajas corrientes de polarización y la corriente de compensación del amplificador permiten el uso de resistencias fuente de nivel de megaohmios sin introducir errores significativos. El LT1495 está disponible en paquetes de plástico PDIP y SO-8 de 8 pines con el pinout de amplificador operacional dual estándar.

Prácticamente sin consumir corriente, el LT1389 y el LT1495 son opciones ideales para el circuito UVLO y muchas otras aplicaciones de batería.

El circuito está configurado para una batería de iones de litio de una celda, donde el voltaje de bloqueo, el voltaje cuando el circuito de protección desconecta la carga de la batería, es de 3,0 V. Este voltaje, establecido por la relación de R1 y R2, se detecta en el nodo A. Cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 3,0 V, el nodo A cae por debajo del umbral en el nodo B, que se define como:

La salida de U1 entonces oscilará hacia arriba, apagando SW1 y desconectando la carga de la batería. Sin embargo, una vez que se elimina la carga, el voltaje de la batería rebota y hará que el nodo A se eleve por encima del voltaje de referencia. La salida de U1 entonces cambiará a nivel bajo, reconectando la carga a la batería y provocando que el voltaje de la batería caiga por debajo de 3.0V nuevamente. El ciclo se repite y se produce la oscilación.

Para evitar esta condición, se agrega R5 para proporcionar algo de histéresis alrededor del punto de disparo. Cuando la salida de U1 oscila hacia arriba para apagar SW1, el nodo B aumenta 42 mV por encima del nodo A, lo que evita la oscilación alrededor del punto de disparo. Usando la fórmula a continuación, la cantidad de histéresis para el circuito se calcula en 92 mV. Por lo tanto, V_BATERIA debe volver a subir por encima de 3,092 V antes de conectar la batería.

Consulte al fabricante de la batería con respecto a la ESR máxima a la corriente de descarga máxima recomendada. Multiplique los dos valores para obtener la histéresis mínima requerida.

La precisión del monitor de voltaje en el peor de los casos es mejor que 0.4%. Curiosamente, la longevidad y la capacidad de la batería están directamente relacionadas con la profundidad de la descarga. Se pueden obtener más ciclos descargando parcialmente en lugar de descargar completamente la batería de iones de litio y, a la inversa, se puede obtener más tiempo de uso descargando completamente una batería de iones de litio. Cortar la carga en el voltaje perfecto de final de descarga resultaría idealmente en el mejor de los dos casos. Para realizar esta tarea se requiere un sistema general preciso. Por ejemplo, si el voltaje de bloqueo óptimo se establece en 3,1 V, un sistema con una precisión general del 5 % produciría ±155 mV, con un corte a 2,945 V o 3,255 V. Con un voltaje de bloqueo de 3,255 V, no se obtiene la capacidad máxima. Además, el rango de funcionamiento se reduce, siendo el voltaje de la batería totalmente cargada de 4,1 V. Para un sistema con una precisión general del 0,4 %, el voltaje de bloqueo sería de 3,088 V o 3,112 V, más de doce veces mejor precisión y logrando de manera óptima la capacidad más alta. Además, la carga se mantiene desconectada con solo 4,5 µA al circuito de protección. Así, el circuito de protección actúa impidiendo la descarga profunda de la batería.

No es necesario que haya una compensación entre el rendimiento y el consumo actual. La referencia de voltaje de derivación de precisión de nanopotencia LT1389 y el amplificador operacional de entrada/salida de riel a riel de precisión LT1495 de 1.5 µA brindan el más alto rendimiento con un consumo de corriente prácticamente nulo.