Tecnologia delle batterie per dispositivi elettronici portatili

Introduzione

Oggi, la tecnologia delle batterie nei dispositivi elettronici portatili include vari aspetti, come algoritmi di rilevamento della potenza, algoritmi di carica della batteria e tecniche di carica della batteria. Le batterie ricaricabili sono disponibili in diversi tipi, tra cui batterie al nichel-cadmio, al nichel-metallo idruro, agli ioni di litio e ai polimeri di litio. Mentre ognuno di questi tipi di batterie ha le sue caratteristiche, le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio sono diventate la scelta ideale per dispositivi piccoli e di lunga durata come laptop e lettori multimediali portatili basati su disco rigido (PMP) grazie alla loro densità energetica e alle caratteristiche di sicurezza. Per gli ingegneri che lavorano con l'elettronica portatile, è fondamentale selezionare e applicare correttamente la tecnologia delle batterie e questo articolo discuterà e analizzerà questi aspetti con esempi pratici.

1. Algoritmi di carica della batteria: carica a goccia, rapida e a tensione costante

A seconda dei requisiti energetici dell'applicazione finale, un pacco batteria può contenere fino a quattro celle agli ioni di litio o ai polimeri di litio, configurate in vari modi e alimentate da un adattatore primario: adattatore diretto, interfaccia USB o caricabatteria per auto. Nonostante le differenze nel numero di celle, nella loro configurazione o nel tipo di adattatore di alimentazione, questi pacchi batteria condividono le stesse caratteristiche di carica e, pertanto, gli algoritmi di carica sono simili. L'algoritmo di carica ottimale per le batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio può essere suddiviso in tre fasi: carica di mantenimento, carica rapida e carica a tensione costante.

Carica di mantenimento: utilizzata per celle completamente scariche. Quando la tensione della cella scende sotto circa 2,8 V, viene applicata una corrente costante di 0,1 C per caricare la cella.

Ricarica rapida: una volta che la tensione della cella supera la soglia di carica di mantenimento, la corrente di carica viene aumentata per la ricarica rapida. La corrente di carica rapida dovrebbe essere inferiore a 1,0C.

Ricarica a tensione costante: durante la ricarica rapida, una volta che la tensione della cella raggiunge 4,2 V, inizia la fase di tensione costante. La ricarica viene interrotta quando la corrente di carica minima scende sotto circa 0,07 C oppure un timer attiva l'interruzione.

I caricabatterie avanzati solitamente sono dotati di funzioni di sicurezza aggiuntive. Ad esempio, se la temperatura della batteria supera l'intervallo specificato (tipicamente da 0°C a 45°C), il processo di carica si interrompe. Le moderne soluzioni di carica per batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio integrano o includono componenti esterni per seguire queste caratteristiche di carica, garantendo una migliore efficienza e sicurezza.

2. Soluzioni di ricarica per batterie agli ioni di litio/polimeri

La soluzione di carica per le batterie agli ioni di litio/polimero varia a seconda del numero di celle, della loro configurazione e del tipo di alimentazione. Esistono tre soluzioni di carica principali: lineare, Buck (step-down) switching e SEPIC (step-up e step-down).

2.1 Soluzione lineare

Quando la tensione di ingresso è leggermente superiore alla tensione a circuito aperto di una cella completamente carica, la soluzione lineare è l'opzione migliore. Ciò è particolarmente efficace quando la corrente di carica rapida 1,0C non è molto maggiore di 1A. Ad esempio, un lettore MP3 utilizza in genere una singola cella con una capacità che va da 700 a 1500mAh e una tensione a circuito aperto di 4,2V. Questi dispositivi utilizzano in genere un adattatore AC/DC o un'interfaccia USB con un'uscita regolata da 5V. In tali casi, un caricabatterie lineare è la soluzione più efficiente e semplice.

Esempio di applicazione: caricabatterie Li+ a doppio ingresso MAX8677A: il MAX8677A è un caricabatterie lineare con adattatore USB/AC a doppio ingresso con un selettore di potenza intelligente integrato, adatto per dispositivi portatili alimentati da una batteria Li+ a cella singola. Il caricabatterie commuta tra gli ingressi di alimentazione e carica in modo ottimale la batteria. Include anche limitazione di corrente, regolazione termica, protezione da sovratensione e altro ancora, garantendo una ricarica sicura ed efficiente per dispositivi come smartphone, PDA, fotocamere e dispositivi GPS.

Soluzione di commutazione buck (step-down) 2.2

Nei casi in cui la corrente di carica 1.0C supera 1A o quando la tensione di ingresso è molto più alta della tensione a circuito aperto della batteria, una soluzione Buck (step-down) è una scelta migliore. Ad esempio, i lettori multimediali portatili con una singola cella agli ioni di litio e un ampio intervallo di tensione di ingresso (da 9 V a 16 V) trarranno vantaggio da questa soluzione, poiché è più efficiente della carica lineare quando c'è una differenza di tensione significativa tra la tensione di ingresso e quella della batteria.

2.3 Soluzione di commutazione SEPIC (Step-up e Step-down)

Per dispositivi con tre o più celle agli ioni di litio/polimero collegate in serie, dove la tensione di ingresso non è sempre superiore alla tensione della batteria, la soluzione SEPIC è ideale. Ad esempio, i laptop utilizzano in genere un pacco batteria agli ioni di litio a 3 celle con una tensione a circuito aperto completamente carica di 12,6 V. Il convertitore SEPIC può gestire entrambi gli scenari: quando la tensione di uscita è superiore o inferiore alla tensione della batteria.

3. Algoritmo di rilevamento della potenza

Molti prodotti portatili si basano sulla misurazione della tensione per stimare la capacità residua della batteria, ma l'accuratezza di questo metodo può essere significativamente influenzata dalla velocità di scarica, dalla temperatura e dall'invecchiamento della batteria. Per ottenere una stima più precisa della capacità della batteria, vengono utilizzati misuratori di potenza per misurare la carica aggiunta o consumata dalla batteria, fornendo stime più accurate su un'ampia gamma di livelli di potenza dell'applicazione.

3.1 Esempio di applicazione dell'algoritmo di rilevamento della potenza: progettazione completa del pacco batteria per applicazione portatile a batteria singola/doppia

Un buon misuratore di potenza per il rilevamento della batteria dovrebbe almeno misurare la tensione, la temperatura e la corrente della batteria. Un microprocessore e un set di algoritmi di rilevamento della potenza ben collaudati sono essenziali. Ad esempio, i misuratori di potenza bq2650x e bq27x00 sono dotati di ADC per misurare tensione, temperatura e corrente e integrano gli algoritmi di rilevamento della potenza di TI per compensare autoscarica, invecchiamento, temperatura e velocità di scarica. Questi misuratori forniscono informazioni sulla capacità residua della batteria e la serie bq27x00 fornisce persino una stima del tempo di funzionamento per lo svuotamento.

3.2 Esempio di applicazione dell'algoritmo di rilevamento della potenza: nuovo circuito integrato per misuratori di potenza per uso generale

Diversi produttori offrono un'ampia gamma di IC misuratori di potenza, consentendo agli utenti di selezionare il dispositivo più adatto per ottimizzare il rapporto costo-efficacia del prodotto. Ad esempio, il DS2762 di Dallas Semiconductor è un IC misuratore di potenza a basso costo e altamente integrato, adatto per telefoni cellulari, PDA e altri dispositivi portatili simili. Combina il rilevamento della potenza con la protezione da sovratensione, sottotensione e sovracorrente. Il DS2762 offre anche un percorso di ricarica di recupero con limitazione della corrente quando la tensione della batteria scende sotto i 3 V, fornendo una gestione efficiente dell'alimentazione.

4. Conclusion

L'applicazione corretta della tecnologia delle batterie nei dispositivi elettronici portatili è fondamentale per la selezione di batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio e dei loro caricabatterie. La scelta deve essere effettuata in base ai requisiti specifici del dispositivo elettronico portatile.