La carga de la batería de iones de litio requiere una detección precisa del voltaje

Las baterías de iones de litio (Li-Ion) están ganando popularidad para los sistemas portátiles debido a su mayor capacidad con el mismo tamaño y peso que las antiguas baterías de NiCad y NiMH. Por ejemplo, una computadora portátil equipada con una batería de iones de litio puede tener un tiempo de funcionamiento más prolongado que una computadora similar equipada con una batería de NiMH. Sin embargo, el diseño de un sistema para baterías de iones de litio requiere una atención especial al circuito de carga para garantizar una carga rápida, segura y completa de la batería.

Un nuevo IC de carga de batería, el ADP3810, está diseñado específicamente para controlar la carga de baterías de iones de litio de 1 a 4 celdas. Hay disponibles cuatro opciones de voltaje de batería final fijo de alta precisión (4,2 V, 8,4 V, 12,6 V y 16,8 V); garantizan la especificación de voltaje de batería final de ±1% que es tan importante en la carga de baterías de iones de litio. Un dispositivo complementario, el ADP3811, es similar al ADP3810, pero el voltaje final de la batería es programable por el usuario para adaptarse a otros tipos de batería. Ambos circuitos integrados controlan con precisión la corriente de carga para realizar una carga rápida a corrientes de 1 amperio o más. Además, ambos tienen una referencia de precisión de 2,0 V y una salida de accionamiento de optoacoplador directo para aplicaciones aisladas.

Carga de iones de litio: Las baterías de iones de litio generalmente requieren un tipo de algoritmo de carga de corriente constante, voltaje constante (CCCV). En otras palabras, una batería de iones de litio debe cargarse a un nivel de corriente establecido (normalmente de 1 a 1,5 amperios) hasta que alcance su voltaje final. En este punto, el circuito del cargador debe cambiar al modo de voltaje constante y proporcionar la corriente necesaria para mantener la batería en este voltaje final (generalmente 4,2 V por celda). Por lo tanto, el cargador debe ser capaz de proporcionar bucles de control estables para mantener ya sea corriente o voltaje a un valor constante, dependiendo del estado de la batería.

El principal desafío al cargar una batería de iones de litio es aprovechar la capacidad total de la batería sin sobrecargarla, lo que podría provocar una falla catastrófica. Hay poco margen de error, solo ±1%. La sobrecarga de más del +1 % podría provocar una falla de la batería, pero la carga insuficiente de más del 1 % da como resultado una capacidad reducida. Por ejemplo, la carga insuficiente de una batería de iones de litio de solo 100 mV (-2,4 % para una celda de iones de litio de 4,2 V) da como resultado una pérdida de capacidad de alrededor del 10 %. Dado que el espacio para el error es tan pequeño, se requiere una alta precisión del circuito de control de carga. Para lograr esta precisión, el controlador debe tener una referencia de voltaje de precisión, un amplificador de retroalimentación de baja compensación y alta ganancia y un divisor de resistencia ajustado con precisión. Los errores combinados de todos estos componentes deben dar como resultado un error general inferior al ±1 %. El ADP3810, que combina estos elementos, garantiza una precisión general del ±1 %, lo que lo convierte en una excelente opción para la carga de iones de litio.

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El ADP3810 y ADP3811: La figura 1 muestra el diagrama funcional del ADP3810/3811 en un circuito de cargador CCCV simplificado. Dos «gramometroLos amplificadores (entrada de voltaje, salida de corriente) son clave para el rendimiento del IC. GM1 detecta y controla la carga Actual a través de la resistencia de derivación, RCSy GM2 detecta y controla la batería final VoltajeSus salidas están conectadas en una configuración analógica «O», y ambas están diseñadas de tal manera que sus salidas solo pueden extraer el nodo COMP común. Por lo tanto, el amplificador de corriente o el amplificador de voltaje tienen el control del bucle de carga en cualquier momento. tiempo. El nodo COMP está protegido por un «gramometro» etapa de salida (GM3), cuya corriente de salida impulsa directamente la entrada de control del convertidor CC-CC (a través de un optoacoplador en aplicaciones aisladas).

Figura 1
Figura 1. Diagrama de bloques del ADP3810/3811 en un circuito de carga de batería simplificado.

El ADP3810 incluye resistencias de película delgada de precisión para dividir el voltaje de la batería con precisión y compararlo con una referencia interna de 2,0 V. El ADP3811 no incluye estas resistencias, por lo que el diseñador puede programar cualquier voltaje final de la batería con un par de resistencias externas de acuerdo con la fórmula a continuación. Un amplificador de búfer proporciona una entrada de alta impedancia para programar la corriente de carga usando la entrada VCTRL, y un circuito de bloqueo de bajo voltaje (UVLO) asegura un arranque suave.

Ecuación 1

Para comprender la configuración «O», suponga que se inserta una batería totalmente descargada en el cargador. El voltaje de la batería está muy por debajo del voltaje de carga final, por lo que la entrada VSENSE de GM2 (conectada a la batería) lleva la entrada positiva de GM2 muy por debajo de la referencia interna de 2,0 V. En este caso, GM2 quiere bajar el nodo COMP, pero solo puede subir, por lo que no tiene efecto en el nodo COMP. Dado que la batería está agotada, el cargador comienza a aumentar la corriente de carga y el circuito de corriente toma el control. La corriente de carga desarrolla un voltaje negativo a través de la resistencia de derivación de corriente (RCS) de 0,25 ohmios. Este voltaje es detectado por GM1 a través de la resistencia de 20 kohms (R3). En equilibrio, (yoCOBRARRCS)/D3 = -VCONTROL/80 kohmios. Por lo tanto, la corriente de carga se mantiene en

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ecuación 2

Si la corriente de carga tiende a exceder el nivel programado, la VCS la entrada de GM1 es forzada negativa, lo que hace que la salida de GM1 sea alta. Esto, a su vez, activa el nodo COMP, lo que aumenta la corriente de la etapa de salida y reduce la activación del bloque convertidor de CC/CC (que podría implementarse con varias topologías). como una etapa flyback, buck o lineal), y finalmente, reduciendo la corriente de carga. Esta retroalimentación negativa completa el ciclo de control de corriente de carga.

A medida que la batería se acerca a su voltaje final, las entradas de GM2 se equilibran. Ahora GM2 eleva el nodo COMP y la corriente de salida aumenta, lo que hace que la corriente de carga disminuya, manteniendo VSENTIDO y VÁRBITRO igual. El control del bucle de carga ha cambiado de GM1 a GM2. Debido a que la ganancia de los dos amplificadores es muy alta, la región de transición del control de corriente al voltaje es muy nítida, como muestra la Figura 2. Estos datos se midieron en una versión de 10 V del cargador fuera de línea de la Figura 3.

Figura 2
Figura 2. Transición de corriente/voltaje del cargador CCCV ADP3810

Cargador completo de iones de litio fuera de línea: La figura 3 muestra un sistema de carga completo que usa el ADP3810/3811. Este cargador fuera de línea utiliza la arquitectura flyback clásica para crear un diseño compacto y de bajo costo. Las tres secciones principales de este circuito son el controlador del lado primario, el FET de potencia y el transformador flyback, y el controlador del lado secundario. Este diseño utiliza un ADP3810, conectado directamente a la batería, para cargar una batería de iones de litio de 2 celdas. a 8,4 V a una corriente de carga programable de 0,1 a 1 A. El rango de entrada es de 70 a 220 V CA para operación universal. El modulador de ancho de pulso del lado primario que se usa aquí es el 3845 estándar de la industria, pero se pueden usar otros componentes PWM . Las especificaciones de salida reales del cargador están controladas por el ADP3810/3811, que garantiza el voltaje final dentro de ±1%.

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figura 3
Figura 3. Cargador completo de batería de iones de litio fuera de línea

La unidad de corriente de la salida de control del ADP3810/3811 se conecta directamente al fotodiodo de un optoacoplador sin circuitos adicionales. Su capacidad de corriente de salida de 4 mA puede impulsar una variedad de optoacopladores; aquí se usa un MOC8103. La corriente del fototransistor fluye a través de RF, configurando el voltaje en el pin COMP del 3845 y controlando así el ciclo de trabajo PWM. El regulador de conmutación controlado está diseñado para que el aumento de la corriente del LED del optoacoplador reduzca el ciclo de trabajo del convertidor.

Mientras que la señal del ADP3810/3811 controla el promedio corriente de carga, el lado primario debe tener un límite de ciclo por ciclo de la corriente de conmutación. Este límite de corriente debe diseñarse de tal manera que, con un circuito secundario u optoacoplador defectuoso o que funcione mal, o durante el arranque, los componentes del circuito de alimentación principal (el FET y el transformador) no se sobrecarguen. Cuando el lado secundario VCC sube por encima de 2,7 V, el ADP3810/ 3811 se hace cargo y controla la corriente media. El límite de corriente del lado primario lo establece la resistencia de detección de corriente de 1,6 ohmios conectada entre el transistor NMOS de potencia, el IRFBC30 y tierra.

El ADP3810/3811, el núcleo del lado secundario, establece la precisión general del cargador. Solo se necesita un solo diodo para la rectificación (MURD320) y no se requiere inductor de filtro. El diodo también evita que la batería retroceda al cargador cuando se desconecta la alimentación de entrada. Un capacitor de 1000 µF (CF1) mantiene la estabilidad cuando no hay batería presente . RCS detecta la corriente promedio (ver arriba), y el ADP3810 está conectado directamente (o ADP3811 a través de un divisor) a la batería para detectar y controlar su voltaje.

Con este circuito, se realiza un cargador de batería Li-Ion fuera de línea completo. La topología flyback combina un convertidor CA/CC con el circuito del cargador para brindar un diseño compacto y de bajo costo. La precisión de este sistema depende del controlador del lado secundario, el ADP3810/3811. La arquitectura del dispositivo también funciona bien en otros circuitos de carga de baterías. Por ejemplo, se puede diseñar fácilmente un tipo de cargador reductor CC-CC estándar emparejando un ADP3810 y un ADP1148. También se puede diseñar un cargador lineal simple con solo el ADP3810 y un transistor de paso externo. En todos los casos, la precisión inherente del ADP3810 controla el cargador y garantiza el voltaje de batería final de ±1 % necesario para la carga de iones de litio.

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