El cargador de níquel de alta eficiencia que funciona hasta 34 V es fácil de configurar para proporcionar una carga rápida segura

El LTC4011 es un completo cargador rápido de níquel-químico autónomo que funciona con alta eficiencia con una tensión de entrada de hasta 34 V, incluso con una tensión de la batería muy por debajo de la alimentación de CC. El rendimiento típico con una alimentación de entrada de 5,5 V y 20 V se muestra en la Figura 1. El bloqueo de subtensión de 4,25 V garantiza un funcionamiento estable con una entrada tan baja como 5 V, asumiendo una tolerancia del 10%. El CI ofrece una gama completa de funciones de control de carga que son fáciles de programar con un número mínimo de componentes externos. Sus múltiples niveles de seguridad proporcionan una protección fiable contra fallos que, además, es fácil de configurar. El LTC4011 funciona sin necesidad de una unidad microcontroladora (MCU) anfitriona y no requiere software ni firmware.

Figura 1. La eficiencia de carga del LTC4011 con una corriente de salida de 2A.

El LTC4011 implementa un completo algoritmo de control de carga rápida, que es el más adecuado para velocidades de carga de C/2 a 2C para baterías de NiMH y de C/3 a C, o superiores, para baterías de NiCd. Esto significa que las baterías totalmente descargadas pueden recargarse al 100% de su capacidad en una hora o menos. El final de la carga fiable a estas velocidades más altas se controla mediante técnicas probadas de detección de tensión y temperatura, adaptadas a la química del níquel seleccionada, para garantizar un tiempo de carga mínimo sin degradar el tiempo del ciclo de recarga. Varios filtros analógicos y digitales internos y externos eliminan el ruido en los canales de datos de tensión y temperatura que se utilizan para determinar el estado general de la batería y el fin de carga adecuado.

La principal técnica de terminación de la carga rápida empleada por el LTC4011 consiste en detectar la tensión máxima de la batería, seguida de una caída suficiente de este potencial terminal (detección de -ΔV). El ciclo de carga típico de NiCd que se muestra en la Figura 2 termina con -ΔV.

Figura 2. Un ciclo de carga de 1C de NiCd.

Para admitir una amplia gama de configuraciones de baterías, el CI detecta la tensión media de las celdas del paquete de baterías. Un simple divisor de tensión resistivo entre el terminal positivo de la batería y el VCDIV junto con alguna capacitancia para eliminar el ruido residual de la conmutación PWM, es todo lo que se necesita para proporcionar esta tensión media de la célula en la VCELDA pin de entrada. Esta técnica, combinada con el rango de funcionamiento de entrada de 5V a 34V, permite cargar en serie de 1 a 16 células de níquel. Un delta negativo de sólo 10mV a 20mV por celda indica que la batería está completamente cargada. La VCELDA la tensión también se controla como medida del estado básico de la batería y para detectar condiciones de fallo catastrófico, como se describe a continuación.

El LTC4011 también puede procesar la temperatura de la batería utilizando la información proporcionada por un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC). El termistor debe estar en buen contacto térmico con las carcasas de las celdas situadas más cerca del centro de masa de la batería. Este termistor se incluye en una red divisora de tensión entre el VRT y tierra, como se muestra en la figura 3, para proporcionar una entrada linealizada a la VTEMP pin. Esta configuración es lo suficientemente flexible como para admitir una gama muy amplia de tipos de termistores NTC.

Figura 3: Un cargador de NiMH de 3A con control total de PowerPath.

Se recomienda utilizar un filtro analógico pasivo unipolar externo para eliminar el ruido de conmutación PWM. La tensión en el filtro VTEMP es utilizado por el LTC4011 para calificar el proceso de carga dentro de un rango aceptable, aproximadamente de 0°C a 45°C. Además, el subsistema interno de adquisición de datos utiliza un reloj en tiempo real incorporado para controlar el ritmo de aumento de la temperatura de la batería (ΔT/Δt) durante la carga rápida. Los valores entre 1°C/min y 2°/min suelen indicar una batería de níquel completamente cargada.

La figura 4 muestra un ciclo de carga de NiMH a una velocidad de 1C con la parte de carga rápida del ciclo de carga terminada por ΔT/Δt. El tratamiento de la temperatura es opcional en el LTC4011 para todos los productos químicos. Con la simple vinculación de VTEMP a VRT desactiva todas las calificaciones de carga e interrupciones basadas en la temperatura.

Figura 4: Ciclo típico de carga de NiMH a 1C.

El algoritmo básico de carga aplicado por el LTC4011 se modifica para la química de la batería seleccionada. Conectando la patilla CHEM a tierra se seleccionan los parámetros de carga de NiMH, mientras que dejando la patilla CHEM abierta o conectándola a VRT selecciona los parámetros de carga para NiCd. Aunque son similares, estas químicas requieren una terminación de carga rápida ligeramente diferente para garantizar la máxima duración del ciclo de recarga. La química de NiCd más antigua se beneficia de una ligera sobrecarga. Al cargar células de NiCd, el LTC4011 utiliza niveles de umbral que favorecen la terminación de -ΔV, lo que da lugar a una carga final ligeramente superior a la capacidad nominal (100%) del pack. En este caso, la terminación ΔT/Δt, si está activada, sirve como técnica de terminación secundaria para mayor seguridad. Esto se muestra en el ejemplo de la Figura 2.

Las baterías de NiMH más recientes suelen estar diseñadas para aceptar tasas de carga más elevadas que sus primos de NiCd más antiguos, pero los fabricantes suelen advertir contra cualquier tipo de sobrecarga. Así, para las baterías de NiMH, el LTC4011 selecciona umbrales internos que favorecen la terminación ΔT/Δt en un punto en el que el pack está cargado hasta aproximadamente el 95% de su capacidad. Para evitar falsas terminaciones en células muy descargadas que han estado inactivas durante un largo periodo de tiempo, el CI puede variar el límite de ΔT/Δt a medida que avanza el ciclo de carga rápida. El límite de -ΔV sirve entonces como terminación secundaria (de seguridad), y el CI aplica una carga lenta temporizada después de la terminación de la carga rápida para alcanzar el 100% de la capacidad, como se muestra en la Figura 4. Obviamente, aunque es opcional, el uso de una entrada de termistor para las pilas de NiMH es muy recomendable.

Además de estas mediciones químicas específicas, el LTC4011 aplica algunas técnicas genéricas de perfil de carga. La tensión de circuito abierto de la batería se mide al inicio de un nuevo ciclo de carga para determinar el estado de carga del pack conectado. Si el pack está inicialmente muy descargado, el CI aplica una corriente de acondicionamiento menor durante un periodo de tiempo determinado para llevar la batería a un punto de aceptación de carga rápida adecuado. Si el pack se descarga inicialmente, el LTC4011 aplica un periodo de espera de terminación de -ΔV para permitir que la química interna -y, por tanto, el potencial de los terminales- se estabilice después de aplicar la corriente de carga completa. Así se evita la terminación prematura. Sin embargo, si el pack ya está moderadamente cargado, la tensión inicial de los bornes se comporta bien y el proceso de -ΔV comienza inmediatamente para evitar la sobrecarga accidental de la batería. Si está activada, la detección de ΔT/Δt está siempre activa.

Las pilas de níquel tienen una alta tasa de autodescarga, hasta un 3% al día. Una vez completado un ciclo de carga, el LTC4011 sigue controlando la tensión de los terminales de circuito abierto de la batería mientras haya una fuente de alimentación de entrada conectada. Si el voltaje de la batería indica una pérdida de más de aproximadamente el 15% de su capacidad, se inicia un ciclo de recarga rápida para devolver el nivel de energía almacenada al 100%. La duración del ciclo de recarga suele ser de sólo unos minutos. Esta técnica sustituye a los métodos más tradicionales de carga de mantenimiento continuo. La carga de mantenimiento mantiene la batería en un estado constante de sobrecarga, lo que puede acortar la vida de algunas células de NiMH, genera calor continuo y es algo menos eficiente que el enfoque de carga automática del LTC4011.

El LTC4011 tiene muchas funciones de seguridad incorporadas. Controla importantes parámetros de tensión y temperatura durante todas las fases de carga

Si la tensión VTEMP se ha activado, la temperatura detectada debe estar entre 0°C y 45°C, de lo contrario se suspende la carga. Tras el inicio de la carga rápida, se deja que la temperatura de la batería aumente hasta los 60ºC. Sin embargo, si se supera este límite, la temperatura detectada debe descender por debajo de los 45ºC antes de que se pueda reanudar la carga. El LTC4011 también controla la temperatura de su propio chip y desactiva la carga si supera un límite aceptable.

La carga no puede comenzar hasta que se haya establecido el margen de tensión necesario para el funcionamiento del PWM (aproximadamente 500 mV) entre la VDC y BAT. El voltaje de la batería también se controla continuamente para evitar la sobretensión. Si la tensión media de la célula en VCELDA si la tensión de la batería supera los 1,95V, la carga se desactiva y se indica un fallo. El LTC4011 también perfila la tensión de la batería durante la carga para garantizar una aceptación de la carga adecuada, comprobando la tensión en circuito abierto al inicio de la precarga y la carga rápida, y la tensión en circuito después de completar aproximadamente el 20% del ciclo de carga rápida.

Por último, el LTC4011 contiene un temporizador de seguridad que limita el tiempo que puede continuar una sola carga. Este temporizador se programa fácilmente con una resistencia externa conectada entre TIMER y GND según la fórmula RTEMPORIZADOR (Ω) = tMAX (horas)/30µs.

El LTC4011 utiliza la programación del temporizador de seguridad para diversos fines, derivando una relación entre el tiempo establecido, la corriente de carga programada y la capacidad de la batería que se está cargando. Supone que el periodo de este temporizador está ajustado al 150% del tiempo normalmente necesario para proporcionar una carga del 100% a una batería totalmente descargada con la corriente programada de RSENTIDO/100mV. Los puntos de control de seguridad antes mencionados, así como la duración de la carga de recarga, se determinan entonces mediante intervalos intermedios del temporizador de seguridad. La tabla 1 muestra los valores adecuados de RTEMPORIZADOR para una serie de velocidades de carga rápida programadas.

Tabla 1. Ejemplos de programación del límite de tiempo del LTC4011
RTEMPORIZADOR (Ω)Tasa de carga rápida típica
Tasa de carga
Precarga
Límite
(minutos)
Carga rápida
Estabilización
(minutos)
Carga rápida
Límite (horas)
Top-Off
Carga
(minutos)
24.9k2C3.83.80.7515
33.2k1.5C55120
49.9k1C7.57.51.530
66.5k0.75C1010240
100k0.5C1515360

El LTC4011 también incorpora un completo controlador PWM. Su regulador buck utiliza una arquitectura síncrona de permanencia pseudoconstante con un interruptor de potencia PFET de lado alto. Esta elección permite un PWM extremadamente fácil de configurar con un número mínimo de piezas externas. Sólo tienes que conectar el interruptor de potencia PFET externo, el diodo síncrono NFET opcional, la pinza Schottky y la reactancia, como se muestra en la figura 3. No se necesita ninguna compensación de bucle externa y la corriente de carga se ajusta con una sola resistencia conectada entre los pines SENSE y BAT. Esta resistencia está en serie entre la salida del inductor y la batería con un valor determinado por la ecuación RSENTIDO = 100mV/IPROG.

El PWM del LTC4011 utiliza una arquitectura diferencial de BT flotante única para proporcionar una precisión de corriente del 5% y una baja fluctuación entre ciclos con una alta corriente de ondulación del inductor. Esto permite utilizar imanes que ahorran espacio y un condensador de filtro de salida más pequeño. La arquitectura de permanencia pseudoconstante elimina la necesidad de una engorrosa compensación de la pendiente y permite un funcionamiento totalmente continuo en una amplia VEN/VOUT sin generar ruido audible, incluso cuando se utilizan condensadores cerámicos. La frecuencia típica de funcionamiento es de 550KHz. En la Figura 5 se muestra un ejemplo del LTC4011 con una implementación PWM de 2A.

Figura 5. Disposición del cargador de NiCD/NiMH.

PowerPath el control es una parte esencial de la terminación correcta al cargar baterías de níquel. Como las diferencias detectadas para la terminación en -ΔV son tan pequeñas, la resistencia en serie de la batería puede causar fácilmente una terminación prematura si se extrae una corriente de carga variable de la batería durante la carga.

El LTC4011 proporciona soporte integrado de PowerPath para un transistor PFET de entrada entre la entrada de CC (DCIN) y la alimentación del sistema no regulada del host (VDC). Este FET actúa entonces como un rectificador ideal con una caída hacia delante regulada de hasta 50 mV, que requiere menos espacio de cabeza de funcionamiento y es capaz de producir menos calor que un diodo de bloqueo convencional. El LTC4011 puede proporcionar hasta 6V de accionamiento de puerta a este dispositivo de paso. Selecciona un FET de entrada con un RDS(ON) en este nivel de control de la puerta para que la combinación de la corriente de carga completa y la corriente de carga completa de la aplicación no provoque una disipación de potencia excesiva.

Como se muestra en la Figura 4, el PFET entre BAT y VCC se utiliza para desconectar automáticamente la batería de la carga del sistema mientras haya una entrada de CC. Se puede utilizar un diodo Schottky en lugar de este MOSFET, si se puede tolerar la caída de tensión adicional cuando la aplicación funciona con la energía de la batería.

El LTC4011 tiene una corriente de alimentación de apagado típica de 3µA y normalmente consume mucho menos de 1µA de la combinación de patillas SENSE/BAT cuando se ha eliminado la alimentación de entrada de CC. Además, la tensión VCDIV la clavija proporciona un medio para desconectar la VCELDA un divisor resistivo en estado desactivado, que elimina la corriente que pasa por este circuito cuando no es posible la carga. Estas características minimizan en gran medida la carga aplicada a la batería por el cargador cuando se desconecta de una fuente de alimentación de corriente continua, lo que aumenta la duración de la batería en aplicaciones portátiles.

El LTC4011 es un cargador de níquel-químico que incorpora un controlador PWM de alto voltaje con todas las funciones, lo que le permite cargar eficientemente las baterías a partir de una entrada de 34V sin necesidad de circuitos integrados de control de fuente de corriente adicionales. El verdadero funcionamiento autónomo y el control flexible simplifican enormemente el diseño del cargador. El PWM funciona a una alta frecuencia, lo que permite utilizar componentes montados en superficie para ahorrar espacio. Los algoritmos de terminación de la carga, fiables y robustos, apoyados por sólidas funciones de seguridad, hacen que el LTC4011 sea una excelente opción para una amplia gama de implementaciones de carga rápida, proporcionando una larga vida a las baterías recargables de níquel.

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