El IC de administración de energía de iones de litio controlado por I2C con dispositivos de energía incorporados carga baterías de alta capacidad desde cualquier fuente de 5 V mientras se mantiene fresco

Los diseñadores de dispositivos electrónicos portátiles tienen el desafío de crear dispositivos que lo hagan todo mientras funcionan sin parar con una sola carga de batería. Aunque es imposible cumplir por completo con este desafío, cada generación sucesiva de baterías está al menos más cerca de este objetivo. Con dispositivos que ahora cuentan con pantallas táctiles grandes y vibrantes, GPU y procesadores multinúcleo, y una gama de módems inalámbricos para comunicaciones de alta velocidad en cualquier parte del mundo, la alta capacidad de la batería es esencial. Los fabricantes de baterías han respondido a la demanda con celdas compactas y livianas con capacidades de más de 30 vatios-hora.

Aunque el USB se convirtió en el estándar dominante para la interconexión de dispositivos, la sincronización y el intercambio de datos, la capacidad de su fuente de alimentación no podía satisfacer las demandas de la batería. USB 2.0 permite una carga máxima de 2,5 W, mientras que USB 3.0 amplía el límite a 4,5 W. Incluso con una eficiencia perfecta y toda la energía yendo directamente a la batería, se requeriría un ciclo de carga completo a través de USB durante la noche y más. Aunque el USB no es adecuado como fuente de alimentación primaria para baterías de gran capacidad, sigue siendo de gran valor como fuente de alimentación oportunista para cargar cuando y donde sea posible, y para evitar que se agote la batería cuando el dispositivo está conectado a una computadora tradicional.

El LTC4155 es un cargador de batería de conmutación monolítico que proporciona de manera eficiente una corriente de carga de 3,5 A en un factor de forma de PCB compacto. La figura 1 muestra los componentes necesarios en una aplicación típica. La frecuencia de conmutación de 2,25 MHz permite una pequeña inductancia y condensadores de derivación para minimizar el espacio total de la placa de circuito impreso.

La alta eficiencia (Figura 2), incluso a tasas de carga de varios amperios, es esencial no solo para aprovechar al máximo la potencia de entrada disponible, sino también para controlar la disipación de potencia dentro del dispositivo portátil. La combinación de disipación de alta potencia y rendimiento térmico marginal en un espacio cerrado puede hacer que un dispositivo con una solución de carga menos eficiente esté demasiado caliente para sostenerlo cómodamente. Para ayudar a mantener las cosas frescas, los interruptores de alimentación integrados del LTC4155 tienen una resistencia muy por debajo de los 100 mΩ.

Aunque los interruptores de alimentación del LTC4155 están dimensionados para manejar corrientes más altas que las disponibles desde USB, el LTC4155 sigue siendo totalmente compatible con USB para carga oportunista. La corriente de entrada se mide automáticamente internamente y se limita a uno de dieciséis I²C valores seleccionables por el usuario. De estos ajustes, tres corresponden a límites máximos garantizados de 100mA y 500mA para USB 2.0 y 900mA para USB 3.0. La limitación de corriente de entrada automática también se puede usar con adaptadores de CA u otras fuentes seleccionando una de las otras configuraciones de limitación de corriente hasta un máximo de 3A.

El LTC4155 admite una corriente de entrada preestablecida programable por pin. Para aplicaciones de alta potencia que no requieren compatibilidad con USB, una sola resistencia conectada al pin CLPROG1 registra una corriente de entrada de encendido preestablecida. Esta resistencia se elige para que coincida con el límite de corriente inicial más adecuado para la aplicación en particular, la capacidad de la fuente de alimentación prevista, etc. Después del encendido, el límite de corriente de entrada se puede cambiar por I²C a una de las otras dieciséis ubicaciones disponibles hasta 3A.

Para aplicaciones USB, los pines CLPROG1 y CLPROG2 se pueden conectar juntos para programar el LTC4155 para hacer cumplir las reglas de limitación de corriente USB. El límite de corriente de entrada por defecto es de 100 mA cuando se aplica una fuente de alimentación externa. Después de un cálculo exitoso con el controlador de host USB, la configuración del límite de corriente de entrada se puede aumentar en I²Controle C a 500mA o 900mA según corresponda. La figura 3 muestra la corriente disponible para la carga del sistema y el cargador de batería. Tenga en cuenta que la corriente de salida del regulador de conmutación es mayor que la corriente de entrada limitada del USB. Si el sistema detecta que la fuente de alimentación es un adaptador de CA, un cargador USB dedicado u otra fuente que no sea USB, la configuración del límite de corriente de entrada puede incrementarse en I²Controle C en cualquier otra configuración hasta 3A.

El LTC4155 acepta de forma selectiva la entrada de dos fuentes de alimentación, lo que resuelve el desafío de enrutar de forma inteligente la alimentación desde dos conectores físicos diferentes al producto. Cuando ambas fuentes de entrada están conectadas simultáneamente, la decisión de qué fuente usar se basa en una prioridad programable por el usuario. Siempre que todos los voltajes de entrada estén dentro del rango operativo válido, se puede seleccionar cualquiera de ellos independientemente de cuál voltaje sea más alto que el otro. Esto permite, por ejemplo, preferir un adaptador de red de 4,5 V/2 A a un puerto USB de 5 V/500 mA. Si se quita la conexión USB y se conecta un adaptador de corriente de 5 V/3 A al mismo puerto, la prioridad de la fuente de entrada se puede cambiar a I²C para cambiar a la nueva fuente de alimentación superior.

El LTC4155 admite I²C límites de corriente de entrada programables para cada una de sus dos entradas de alimentación. Cuando se desconecta la fuente de entrada de mayor prioridad, la carga puede continuar sin interrupciones, con una reducción automática al límite inferior de corriente de entrada máxima. El microcontrolador del sistema no requiere atención inmediata.

Dependiendo de los componentes externos elegidos para el multiplexor de entrada, la protección contra sobrevoltaje y voltaje inverso de hasta ±77 V se puede implementar fácilmente si la aplicación lo requiere. Además, el LTC4155 puede generar un suministro USB On-The-Go de corriente limitada de 5 V al conector USB sin el uso de componentes externos adicionales.

El LTC4155 proporciona una constante I²Informe de estado C, que permite que el software del sistema tenga una vista completa del estado de las fuentes de alimentación de entrada, las condiciones de falla, el estado del ciclo de carga de la batería, la temperatura de la batería y varios otros parámetros.

Los parámetros de carga clave pueden ser cambiados por I²Control C para implementar algoritmos de carga personalizados. A diferencia de los algoritmos de carga programables basados ​​en microcontroladores u otros, todos los parámetros posibles del LTC4155 están disponibles en el software I²El Control C es esencialmente seguro para la batería. El voltaje de punto flotante no se puede programar por encima de 4,2 V o por debajo de 4,05 V. De manera similar, la corriente de carga de la batería se puede programar en una de las 15 configuraciones posibles, pero el software no puede establecer el límite por encima del nivel establecido por el diseñador para que aumente para siempre. Resistencia de programación elegida para que coincida con la capacidad de la batería y la tasa de carga máxima.

Los datos continuos de temperatura de la batería están disponibles para el software del sistema para adaptar dinámicamente el comportamiento del sistema o del cargador para manejar ángulos de operación extremos. Por ejemplo, la tensión de flotación y/o la corriente de carga se pueden reducir en I²Control C para aumentar el margen de seguridad de la batería a temperaturas ambiente altas. Además, la corriente de carga o la corriente de carga general del sistema se puede reducir en respuesta a la alta temperatura para reducir el calentamiento adicional dentro de la carcasa del producto.

Como todos los demás aspectos de la programabilidad del cargador de batería, el LTC4155 implementa una solución de carga inherentemente segura sin (o a pesar de) ninguna intervención de software. La carga de la batería siempre se interrumpe cuando la temperatura de la celda cae por debajo de 0 ° C o por encima de 40 ° C. Además, se puede generar una interrupción por falla cuando la temperatura de la celda supera los 60 ° C. La Figura 4 muestra una función que transfiere los datos de temperatura de la batería LTC4155 Convertidor y los umbrales de temperatura de corte del cargador independiente resaltado.

Las baterías agotadas pueden ser particularmente problemáticas en una arquitectura de energía tradicional donde la mayoría de los productos portátiles están conectados directamente a la batería. Cuando el voltaje de la batería es demasiado bajo para operar el sistema, el producto puede parecer que no responde incluso unos minutos después de haber sido conectado a una fuente de alimentación de entrada, lo que puede generar llamadas telefónicas de soporte innecesarias. El problema se complica aún más cuando la capacidad de la batería es muy grande en relación con la corriente de carga disponible (por ejemplo, un sistema alimentado por USB con una batería de gran capacidad).

Tecnología lineal PowerPath^™ productos como el LTC4155 desacoplan el riel de alimentación del sistema de la batería para permitir un funcionamiento instantáneo y resolver los dos problemas más graves causados ​​por baterías completamente descargadas.

El primer problema es que la corriente de carga y la carga del sistema se vuelven indistinguibles cuando el riel de alimentación del sistema está conectado directamente a la batería. Cuando la batería está completamente descargada, los fabricantes de baterías recomiendan una corriente de carga inicial muy reducida hasta que el voltaje de la celda alcance un nivel más seguro. Esta corriente de carga lenta debe programarse a un nivel seguro para la batería, suponiendo que la corriente de carga del sistema sea mínima o nula.

En segundo lugar, en un sistema de batería de conexión directa, si el sistema funciona durante la carga lenta, una parte significativa de la corriente de carga de la batería se deriva al riel del sistema. La corriente de carga de la batería reducida se prolonga proporcionalmente como resultado del tiempo de recuperación. La carga pesada del sistema puede causar que la corriente neta de la batería se invierta, descargando aún más la batería. Durante la duración de esta condición de batería baja, es posible que el sistema portátil no pueda responder al usuario debido a un voltaje insuficiente en el riel de alimentación del sistema. Ningún tiempo de respuesta aumenta en un factor de al menos 10 debido a la reducción de la energía disponible para el riel de energía de la batería conectada y los sistemas comunes.

El LTC4155 suministra 3,5 V al riel del sistema cuando la batería está completamente descargada para permitir un arranque instantáneo. A medida que aumenta el voltaje de la batería durante la fase de precarga, el LTC4155 cambia automáticamente y sin inconvenientes a un modo más eficiente para acelerar la carga y minimizar la generación de calor. La figura 5 muestra el voltaje disponible para el riel de alimentación del sistema en función del voltaje de la batería.

La corriente de carga de la batería del LTC4155 se programa independientemente del límite de corriente de entrada para desacoplar las limitaciones de corriente de carga de la batería de las limitaciones de potencia de entrada. El límite de corriente de entrada solo se puede programar de acuerdo con los límites de la fuente de alimentación de entrada. Del mismo modo, la corriente de carga de la batería solo se puede programar de acuerdo con la capacidad de la batería. El LTC4155 siempre aplica el límite de corriente de entrada y prioriza el suministro de la carga del sistema sobre la carga de la batería si es necesario.

El LTC4155 proporciona una reducción automática de la corriente de entrada cuando el voltaje de entrada comienza a caer a un nivel inaceptable. A altos niveles de corriente de carga, esto puede ocurrir cuando las conexiones se realizan con un cable demasiado pequeño, un adaptador demasiado pequeño, conectores levemente corroídos o cualquier cantidad de condiciones fuera del diseño normal.

Sin intervención, el voltaje de entrada del IC continuaría cayendo, cayendo eventualmente por debajo del umbral de apagado por bajo voltaje. Luego, el IC se apagaría, lo que permitiría que el voltaje de entrada se recuperara y reiniciara todo el ciclo. El LTC4155 saca lo mejor de una mala situación. Cuando el voltaje de entrada cae a 4,3 V, el LTC4155 reduce gradualmente su potencia de entrada en la cantidad necesaria para evitar una mayor caída en el voltaje de entrada. En este modo, la corriente suministrada a la carga del sistema y la batería es menor que la cantidad programada, pero mayor que la que estaría disponible si se permitiera que continuara la oscilación del voltaje de entrada. Además, el LTC4155 produce I²Informe de estado C y señal de trampa opcional para alertar al sistema de que el usuario final puede necesitar tomar medidas correctivas o de diagnóstico para restaurar la capacidad de corriente de carga completa.

El LTC4155 combina alta capacidad y eficiencia de corriente con un tamaño de placa de circuito impreso monolítico pequeño, ideal para dispositivos portátiles con baterías de litio grandes donde el espacio de la placa es limitado y el tiempo de calentamiento y carga es escaso. Los ajustes de límite de corriente de entrada compatibles con USB amplían aún más la flexibilidad para permitir la carga oportunista desde fuentes de alimentación ubicuas pero más pequeñas. La telemetría extendida permite un comportamiento personalizado según las condiciones ambientales o las aplicaciones cambiantes sin comprometer la seguridad de la batería individual. Se proporciona energía ininterrumpida al riel del sistema a pesar de los problemas comunes, como una batería completamente descargada o un cable de alimentación de entrada resistivo demasiado pequeño. El LTC4155 está disponible en un paquete QFN de 28 conductores de 4 mm × 5 mm.