Un completo gestor de energía USB, cargador de iones de litio y dos convertidores Buck en un QFN de 4 mm de diámetro

Introducción

El LTC3455 proporciona una solución compacta y fácil de usar que alterna sin problemas entre tres fuentes de alimentación diferentes: una batería de iones de litio de una sola célula, un puerto USB y un adaptador de pared de 5 V. La unidad contiene dos convertidores DC/DC buck síncronos (reductores), un controlador de alimentación USB (que limita con precisión la corriente USB a 500mA o 100mA), un cargador de baterías de iones de litio de una sola célula con todas las funciones, un convertidor de intercambio en caliente de 200mA y un adaptador de pared^™ una salida, un indicador de batería baja y muchas funciones de protección interna, todo ello en un encapsulado QFN de 24 patillas de bajo perfil (0,8 mm de altura) de 4 mm × 4 mm (Figura 1).

La simplicidad de una aplicación típica del LTC3455 se muestra en la Figura 2. Las eficiencias del convertidor CC/CC de esta aplicación se muestran en la Figura 3. El dispositivo gestiona internamente importantes cuestiones de arranque y protección del sistema (arranque suave, secuenciación de la alimentación, limitación térmica del cargador, limitación de la corriente para todas las salidas, etc.), minimizando así el número de componentes externos. El circuito es aún más sencillo para las aplicaciones que sólo requieren una batería y una fuente de alimentación USB, sin el adaptador de pared de 5 V (ver nota en la Figura 2).

Convertidores DC/DC dobles de alta eficiencia

El LTC3455 contiene dos reguladores de conmutación en modo de corriente de frecuencia constante de 1,5 MHz que funcionan con eficiencias de hasta el 96%. El interruptor 1 proporciona hasta 400mA a 1,5V/1,8V (para alimentar el núcleo del microcontrolador), y el interruptor 2 proporciona hasta 600mA a 3,3V (para alimentar la E/S del microcontrolador, la memoria y otros circuitos lógicos). Ambos convertidores admiten el funcionamiento del 100% del ciclo de trabajo (modo de baja caída) cuando la tensión de entrada cae muy cerca de la tensión de salida, y ambos son capaces de funcionar en modo ráfaga^® para obtener el mejor rendimiento con cargas ligeras (el modo de ráfaga se puede seleccionar mediante un pin). El interruptor 2 tiene un control ON/OFF independiente, pero sólo funciona cuando el interruptor 1 está también ON y en regulación. Si ambos están activados en el encendido inicial, el interruptor 2 no se encenderá hasta que el interruptor 1 haya alcanzado el 90% de su valor programado. Este retardo en el encendido asegura una correcta secuencia de alimentación y reduce el pico de corriente de la batería en el arranque.

En cuanto hay energía externa, se activan el cargador de baterías y el interruptor 1 (la fuente de alimentación principal). Esto garantiza que la batería se pueda cargar siempre y que el microcontrolador esté siempre vivo cuando se disponga de energía externa. El interruptor 2 también puede ajustarse para que se encienda siempre que haya alimentación externa. Además, toda la energía del sistema se extrae de la fuente externa adecuada, y una vez que la batería está completamente cargada, el consumo de corriente de la batería se reduce a 10μA.

Aprovecha al máximo la energía del USB

La popularidad del USB (Universal Serial Bus) lo convierte en una opción atractiva para transferir datos y energía entre dispositivos. La posibilidad de alimentar un dispositivo portátil por USB mientras se cargan sus baterías es obviamente deseable (no hay toma de corriente), pero no es necesariamente un problema de diseño fácil. La potencia disponible en un solo puerto USB (2,5 W como máximo) apenas es suficiente para soportar el pico de potencia que necesitan muchos dispositivos portátiles completos, incluso sin añadir la potencia necesaria para cargar rápidamente sus baterías.

Por si fuera poco, el puerto USB no es una fuente de alimentación ideal. Cada dispositivo puede consumir un máximo de 500mA en modo de alta potencia (o 100mA en modo de baja potencia), pero la tensión suministrada al dispositivo portátil puede variar bastante. Aunque la fuente de alimentación USB tiene una tensión nominal de 5 V, si se tienen en cuenta las variaciones normales de la fuente de alimentación, las pérdidas de los cables y las condiciones transitorias, la tensión USB que aparece en el dispositivo portátil suele ser mucho menor, y a menudo cae hasta 4 V (aunque la especificación mínima del USB es de 4,35 V). Como el puerto USB tiene un estricto límite de corriente de 500mA, esto significa que la cantidad de energía disponible para el dispositivo portátil puede ser tan baja como 2W. El voltaje USB reducido también causa problemas al intentar cargar completamente una batería de iones de litio de una sola célula (que tiene un voltaje de carga final de 4,2 V) cuando el propio voltaje USB puede ser inferior a 4,2 V.

El controlador de potencia USB del LTC3455 está diseñado específicamente para resolver estos problemas, ofreciendo varias funciones que aprovechan al máximo la potencia que ofrece el puerto USB. El dispositivo consume energía USB una vez que el voltaje de la clavija USB alcanza los 3,9 V, y sigue consumiendo energía hasta que el voltaje de la clavija cae por debajo de los 3,7 V. Si el voltaje de la clavija USB cae por debajo de 4,5 V, la corriente de carga disminuye gradualmente (y finalmente se detiene en torno a 4,0 V) para evitar los problemas de "estallido" y estabilidad cuando se utilizan cables USB largos y resistivos. La figura 4 muestra esta reducción de la corriente de carga a medida que disminuye la tensión del USB.

El controlador de alimentación USB interno también reduce automáticamente la corriente de carga de la batería para ayudar a mantener la corriente total del sistema por debajo del estricto límite USB de 500mA o 100mA. El resto del sistema toma la corriente que necesita, pero la corriente de carga de la batería se reduce para intentar mantener la corriente total del sistema por debajo del estricto límite de 500mA/100mA del USB. El gráfico de la figura 5 muestra cómo la corriente de carga, I_BATdisminuye a medida que aumenta la corriente requerida por el resto del sistema (tanto los interruptores como el resto de dispositivos externos toman energía de la V_MAX pin). La corriente total del USB, I_USBesto es siempre por debajo de 500mA.

Cargador de baterías de iones de litio

El cargador de baterías es un cargador de corriente y tensión constantes. En el modo de corriente constante, la corriente de carga máxima está definida por una única resistencia externa. Cuando la batería se acerca a la tensión final de mantenimiento, la corriente de carga empieza a disminuir, ya que el cargador pasa al modo de tensión constante. El ciclo de carga se termina sólo con el temporizador de carga, que se programa con un único condensador externo. La corriente de carga máxima es de 500mA cuando se alimenta por USB y de hasta 1A cuando se alimenta por el adaptador de pared. El controlador de alimentación USB reduce automáticamente la corriente de carga para mantener la corriente total de la clavija USB por debajo de 500mA cuando se alimenta por USB. Cuando la batería está por debajo de 2,8 V al inicio de un ciclo de carga, el cargador pasa al modo de carga lenta, reduciendo la corriente de carga a una décima parte de su valor máximo programado. Un límite térmico interno reduce la corriente de carga si la temperatura del chip supera un valor preestablecido de aproximadamente 105°C. Esta función no sólo protege al LTC3455 de las temperaturas excesivas, sino que también puede reducir los tiempos de carga al permitir al usuario establecer una corriente de carga máxima más alta, teniendo en cuenta lo siguiente típicoy no el peor caso, las temperaturas ambientales para una aplicación determinada, con la seguridad de que el cargador reducirá automáticamente la corriente en las peores condiciones.

Salida de intercambio en caliente

Se proporciona una salida de intercambio en caliente de 200 mA para alimentar tarjetas Secure Digital (SDIO), tarjetas de memoria y cualquier otro dispositivo externo que pueda conectarse en caliente al sistema. Si se conectan en caliente directamente a una de las salidas del conmutador, estos dispositivos externos aparecerán inicialmente como un cortocircuito y pueden provocar la caída de la salida, causando grandes problemas al sistema. La salida HSO sólo puede funcionar cuando el LTC3455 está encendido, y se activa mediante el pin HSON. Para las aplicaciones en las que no se requiere la conexión en caliente, esta salida puede utilizarse simplemente como un interruptor de carga de 200mA (controlado por el pin HSON).

Detector de batería baja/LDO

El LTC3455 contiene un bloque de ganancia adicional (pines AI y AO) que puede utilizarse como indicador de batería baja o como LDO con la adición de un PNP o PMOS externo. Este bloque de ganancia está activo siempre que se enciende la unidad, y se desactiva durante el apagado para minimizar el consumo de batería. El detector de batería baja no informará de una condición de batería baja hasta que se encienda el LTC3455, pero esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones, ya que el LTC3455 estaría alimentando el microcontrolador y otra inteligencia del sistema de todos modos. El LDO es conveniente para aplicaciones que necesitan una tercera salida, como una fuente de alimentación de 2,5 V o una fuente de alimentación silenciosa de 3 V.

Aumenta la corriente de salida de 3,3V a 1,2A

Con un límite de corriente interno de 900mA, el Interruptor 2 suele proporcionar una salida de 3,3V y 600mA. Aunque esta corriente de salida es suficiente para muchos dispositivos portátiles, algunas aplicaciones requieren una alimentación de 3,3 V capaz de suministrar más de 1 A. La figura 6 muestra cómo implementar una salida de 3,3 V de mayor corriente utilizando el LTC3455. Añadiendo un pequeño PMOS SOT-23 y utilizando el bloque de ganancia como un LDO, la salida de 3,3V proporciona ahora 1,2A de corriente de salida. El interruptor 2 está programado para una tensión de salida de 3,3V, y el LDO está programado para una tensión de salida de 3,2V (un 3% menos). Mientras la corriente de carga sea lo suficientemente baja como para que el Conmutador 2 pueda suministrarla, el LDO estará completamente desactivado. Este circuito es ideal para aplicaciones que sólo necesitan la corriente de salida más alta de 3,3 V durante un periodo corto. El conmutador 2 normalmente proporcionará toda la corriente de salida, y el LDO se encenderá brevemente para proporcionar las corrientes de carga más altas.

Cuando la corriente de carga supera lo que el Interruptor 2 puede suministrar, la salida de 3,3 V cae ligeramente y el LDO suministra la corriente adicional necesaria. La figura 7 muestra la respuesta transitoria cuando la corriente de salida de 3,3 V aumenta de 0,5 A a 1,2 A. Se puede añadir más capacitancia de salida para mejorar la respuesta transitoria de 3,3 V durante estos pasos de carga de alta corriente.

Fuente de alimentación USB con alimentación de reserva temporal

Aunque está diseñado principalmente para aplicaciones portátiles alimentadas con iones de litio, el LTC3455 también es una buena opción para los sistemas que se alimentan siempre con una fuente de alimentación USB o un adaptador de pared. El cargador de baterías puede utilizarse entonces para cargar un condensador grande o una batería de reserva, que alimenta brevemente el sistema después de retirar la fuente de alimentación externa. Esto da al microcontrolador el tiempo suficiente para seguir los procedimientos de desconexión adecuados cuando la fuente de alimentación principal se retira repentinamente.

La figura 8 muestra una fuente de alimentación autónoma para aplicaciones USB de alta potencia (corriente USB de hasta 500 mA) utilizando el LTC3455. La potencia total del sistema debe permanecer por debajo de 1,8 W para garantizar un funcionamiento limpio, incluso en las peores condiciones del USB. Con los valores de resistencia indicados, el indicador de batería baja (pines AI y AO) se activará cuando la tensión V_MAX la tensión del pin cae a 4,0V, lo que informa al microcontrolador de una condición de caída inminente. La resistencia de 1MΩ conectada entre los pines AI y AO proporciona 150mV de histéresis (el indicador de caída se mantiene bajo hasta que la tensión V_MAX sube por encima de 4,15V).

Un condensador de reserva de 4700μF conectado a la V_BAT proporciona una breve alimentación al sistema después de retirar la fuente de alimentación USB, y también ayuda a soportar las cargas transitorias que superan ligeramente el límite de corriente USB. Conectando esta gran capacidad a la V_BAT la clavija BAT tiene varias ventajas. Proporciona una gran reserva de energía que está aislada tanto de la patilla USB (la especificación USB limita la capacitancia de la patilla de alimentación USB a 10μF o menos) como de V_MAX (el uso de un condensador muy grande en esta patilla retrasará el encendido del sistema), y evita las grandes corrientes de entrada utilizando el cargador de la batería para cargar lentamente este condensador. Con la clavija del temporizador conectada a V_MAXel cargador de baterías funciona en modo de corriente constante (el bucle de tensión y la función de temporizador están desactivados), de modo que el condensador de 4700μF siempre se carga por completo con la tensión disponible en el USB.

Conclusión

El LTC3455 simplifica el diseño de aplicaciones portátiles. Se trata de una solución completa de gestión de la energía, que incluye dos convertidores DC/DC reductores, un controlador de energía USB, un cargador de baterías de iones de litio con todas las funciones, una salida de intercambio en caliente y un indicador de batería baja, todo ello en un diminuto QFN de 4 mm × 4 mm.