LTC1733: la regulación térmica maximiza la tasa de carga de la batería de iones de litio sin riesgo de sobrecalentamiento

Los cargadores de baterías lineales suelen ser más pequeños, más simples y menos costosos que las soluciones basadas en conmutadores, pero tienen una gran desventaja: la disipación de energía excesiva. Cuando el voltaje de entrada es alto y el voltaje de la batería es bajo (batería descargada), un cargador lineal podría generar suficiente calor para dañarse a sí mismo o a otros componentes. Por lo general, tales condiciones son temporales, ya que el voltaje de la batería aumenta con su carga, pero son las situaciones más desfavorables las que se deben tener en cuenta al determinar los valores máximos permitidos para la corriente de carga y la temperatura del IC. Para resolver este problema, el LTC1733 emplea retroalimentación térmica interna para regular la corriente de carga y limitar la temperatura del troquel. Esta característica se traduce en tiempos de carga más rápidos, porque un diseñador puede programar una corriente de carga alta (para minimizar el tiempo de carga) sin riesgo de dañar el LTC1733 o cualquier otro componente. También se elimina la necesidad de sobrediseño térmico. Para mejorar aún más la transferencia de calor, el LTC1733 está alojado en un paquete MSOP de 10 pines térmicamente mejorado. Para simplificar, el LTC1733 proporciona una solución completa de cargador de iones de litio que requiere solo tres componentes externos, como se muestra en la Figura 1.

Un MOSFET de potencia interno permite programar la corriente de carga hasta 1,5 A, con un 7 % de precisión, para garantizar una carga rápida y completa. El MOSFET interno también elimina la necesidad de una resistencia de detección de corriente externa o un diodo de bloqueo. El voltaje de flotación final es seleccionable por clavija a 4,1 V o 4,2 V con una precisión del 1 % para evitar una sobrecarga peligrosa o una capacidad reducida de la batería debido a una carga insuficiente.

Siguiendo las pautas de los fabricantes de baterías, el LTC1733 incluye un temporizador de terminación de carga programable y una entrada de termistor para carga calificada por temperatura. Las salidas de estado incluyen detección de carga C/10 para indicar una condición cercana al final de la carga, detección de presencia del adaptador de pared para determinar si la carga puede continuar o no, monitoreo de corriente de carga para medir el gas y detección de fallas para identificar celdas defectuosas. El acondicionamiento de carga de batería baja (carga lenta) carga de forma segura una celda descargada en exceso, y la recarga automática garantiza que la batería esté siempre completamente cargada. Para conservar la energía de la batería, la corriente de drenaje de la batería LTC1733 cae a menos de 5 μA cuando no hay un adaptador de pared o cuando la pieza está apagada.

Para cargar una batería de iones de litio de una sola celda, el usuario debe aplicar un voltaje de entrada (normalmente, un adaptador de pared) de al menos 4,5 V a la V_CC alfiler. los ACPR Posteriormente, el pin bajará para indicar que se ha cumplido la condición de voltaje de entrada. Además, se debe conectar una resistencia del 1% de PROG a GND para programar la corriente de carga nominal a 1500V/R_PROG. los CHRG Luego, el pin bajará para indicar que ha comenzado un ciclo de carga. Un capacitor conectado entre el pin TIMER y GND programará el tiempo de terminación de carga a 3 horas por 100nF.

Si el voltaje del pin BAT es inferior a 2,48 V al comienzo de un ciclo de carga, entonces la corriente de carga será una décima parte del valor programado para que el voltaje de la celda sea lo suficientemente alto para permitir la corriente de carga completa. Si la celda está dañada y el voltaje no supera los 2,48 V dentro de un cuarto del tiempo de terminación programado, el ciclo de carga terminará y el CULPA la salida de estado se enclavará en nivel bajo, lo que indica una celda defectuosa. Los tres pines de salida de estado, ACPR, CHRG y CULPAtiene suficiente capacidad de hundimiento de corriente para encender un LED.

Una vez que el voltaje de la batería supera los 2,48 V (lo que generalmente ocurre poco después del inicio de un ciclo de carga), el LTC1733 proporcionará una corriente constante a la batería según lo programado por R_PROG. El LTC1733 permanecerá en modo de corriente constante hasta que el voltaje del pin BAT se acerque al voltaje flotante final seleccionado (4,1 V para SEL = 0 V y 4,2 V para SEL = V_CC). En este punto, la pieza entra en modo de voltaje constante.

En el modo de voltaje constante, el LTC1733 comienza a disminuir la corriente de carga para mantener un voltaje constante en el pin BAT en lugar de una corriente constante fuera del pin BAT. Cuando la corriente cae al 10% de la corriente de carga programada a escala completa, un comparador interno bloquea el fuerte pull-down en el CHRG pin y conecta una fuente de corriente débil (alrededor de 25 μA) a tierra para indicar una condición cercana al final de la carga (C/10).

A diferencia de los cargadores de batería que terminan cuando la corriente alcanza C/10, el LTC1733 continúa cargando la batería después del punto C/10, siempre que no haya transcurrido el tiempo de terminación, para garantizar que la batería esté completamente cargada. Terminar la carga en C/10 puede dejar una batería cargada al 90 % o 95 % de su capacidad, mientras que cargar más allá de C/10 y terminar según el tiempo puede cargar una batería al 100 % de su capacidad. Al terminar, el CHRG pin asume un estado de alta impedancia.

El LTC1733 tiene la capacidad de recargar una batería suponiendo que el voltaje de la batería se haya cargado por encima de 3,95 V (SEL = 0 V) ​​o 4,05 V (SEL = V_CC) durante el ciclo de carga inicial. Una vez por encima de estos umbrales, comienza un nuevo ciclo de carga si el voltaje de la batería cae por debajo de 3,9 V (SEL = 0 V) ​​o 4,0 V (SEL = V_CC) debido a una carga en la batería o a la corriente de autodescarga de la batería. El circuito de recarga integra el voltaje del pin BAT durante unos pocos milisegundos para evitar que los transitorios reinicien el ciclo de carga. Esta función garantiza que la batería permanezca cargada incluso si se deja conectada al cargador durante largos períodos de tiempo.

Una característica clave adicional del LTC1733 es el bucle de regulación térmica interna. Si la operación de alta potencia y/o las condiciones de alta temperatura ambiente hacen que la temperatura de la unión del LTC1733 se acerque a los 105 °C, la corriente de carga se reduce automáticamente para mantener la temperatura de la unión en aproximadamente 105 °C (las temperaturas de la placa suelen permanecer por debajo de los 85 °C). ). Esto se llama modo de temperatura constante. Esta función permite al usuario programar una corriente de carga en función de las condiciones de funcionamiento típicas y elimina la necesidad del complicado sobrediseño térmico necesario en muchas aplicaciones de cargadores lineales. El LTC1733 se ocupa automáticamente de las peores condiciones. Además de proteger el LTC1733, esta función elimina los "puntos calientes" en la placa, protegiendo así los componentes circundantes. Las funciones de apagado térmico de otros cargadores de batería simplemente apagan el cargador a temperaturas muy altas (normalmente, por encima de los 130 °C). Este tipo de apagado basado en la temperatura de la unión permite que tanto el cargador de la batería como la placa circundante se calienten mucho, por lo que, aunque existe la "protección" de apagado, la aplicación debe diseñarse minuciosamente para evitar alcanzar la temperatura de apagado térmico en todos los escenarios. El LTC1733 simplifica el diseño térmico al equilibrar automáticamente la corriente de carga, la disipación de energía y la temperatura de funcionamiento.

Para mejorar aún más el rendimiento térmico del LTC1733, está empaquetado en un paquete MSOP térmicamente mejorado de 10 pines. La placa de aplicación que se muestra en la Figura 2 ocupa solo 76 mm² de espacio en la placa y puede disipar más de 2 W de potencia a temperatura ambiente. Eso equivale a una corriente de carga máxima de aproximadamente 1,5 A, con un suministro de entrada de 5 V. Esto supone que una batería de iones de litio pasa la mayor parte de su tiempo a 3,7 V durante la carga. De hecho, esta es una suposición conservadora, ya que una batería de iones de litio típica superará los 3,8 V en los primeros minutos de carga. Las potentes funciones térmicas del LTC1733 y la precisión del 7 % de la corriente de carga programada permiten una carga muy rápida y precisa de baterías de iones de litio de celda única.

Para aplicaciones de medición de gas, el pin PROG proporciona información muy precisa sobre la corriente que sale del pin BAT. La relación está dada por:

Durante el modo de corriente constante, el voltaje del pin PROG siempre es de 1,5 V, lo que indica que la corriente de carga programada sale del pin BAT. En el modo de temperatura constante o voltaje constante, la corriente del pin BAT se reduce y se puede determinar midiendo el voltaje del pin PROG y aplicando la fórmula anterior. El pin PROG, junto con las tres salidas de estado de drenaje abierto (ACPR, CHRGy CULPA), informa al usuario exactamente de lo que está haciendo el LTC1733 en todo momento.

Además del temporizador programable y la calificación de carga de batería baja, el LTC1733 agrega carga calificada de temperatura a la lista de características de seguridad recomendadas por el fabricante de la batería. La temperatura de la batería se mide colocando un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) cerca del paquete de baterías. Usando el circuito que se muestra en la Figura 3, el LTC1733 puede suspender temporalmente el temporizador interno y detener la carga cuando la temperatura de la batería cae por debajo de 0 °C o sube por encima de 50 °C. Para realizar esta función, R_CALIENTE debe elegirse para que sea el valor del termistor NTC seleccionado a 50 °C. Esto asegurará que el punto de disparo del comparador interno de 1/2V_CC corresponde a una temperatura NTC de 50°C. Además, el termistor NTC seleccionado debe tener un valor a 0 °C lo más cercano posible a siete veces el valor a 50 °C. Una relación NTC frío a caliente de 7:1 asegura que el punto de disparo del comparador interno de 7/8V_CC corresponde a una temperatura NTC de 0°C. Los comparadores frío y caliente tienen cada uno aproximadamente 2 °C de histéresis para evitar la oscilación sobre el punto de disparo. Además, la función NTC se puede desactivar sin ningún componente externo simplemente conectando a tierra el pin NTC.

El LTC1733 es un cargador de batería de iones de litio independiente y con todas las funciones. En su forma más simple, el LTC1733 solo requiere tres componentes externos y puede cargar de forma segura y precisa baterías de alta capacidad muy rápidamente con hasta 1,5 A de corriente de carga. Se pueden agregar un termistor NTC y algunos LED para aprovechar las funciones de seguridad y estado.