Tecnología de baterías para dispositivos electrónicos portátiles

Introducción

En la actualidad, la tecnología de baterías en dispositivos electrónicos portátiles incluye diversos aspectos, como algoritmos de detección de energía, algoritmos de carga de baterías y técnicas de carga de baterías. Las baterías recargables vienen en varios tipos, incluidas las baterías de níquel-cadmio, níquel-hidruro metálico, iones de litio y polímero de litio. Si bien cada uno de estos tipos de baterías tiene sus características, las baterías de iones de litio y polímero de litio se han convertido en la opción ideal para dispositivos pequeños y de larga duración, como computadoras portátiles y reproductores multimedia portátiles (PMP) basados ​​en disco duro, debido a su densidad de energía y características de seguridad. Para los ingenieros que trabajan con dispositivos electrónicos portátiles, es crucial seleccionar y aplicar correctamente la tecnología de baterías, y este artículo discutirá y analizará estos aspectos con ejemplos prácticos.

1. Algoritmos de carga de la batería: carga lenta, rápida y de voltaje constante

Dependiendo de los requerimientos energéticos de la aplicación final, un paquete de baterías puede contener hasta cuatro celdas de iones de litio o de polímero de litio, configuradas de diversas maneras y alimentadas por un adaptador primario: adaptador directo, interfaz USB o cargador de automóvil. A pesar de las diferencias en el número de celdas, su configuración o el tipo de adaptador de corriente, estos paquetes de baterías comparten las mismas características de carga y, por lo tanto, los algoritmos de carga son similares. El algoritmo de carga óptimo para baterías de iones de litio y de polímero de litio se puede dividir en tres etapas: carga lenta, carga rápida y carga a voltaje constante.

Carga lenta: se utiliza para celdas muy descargadas. Cuando el voltaje de la celda cae por debajo de aproximadamente 2,8 V, se aplica una corriente constante de 0,1 C para cargar la celda.

Carga rápida: una vez que el voltaje de la celda supera el umbral de carga lenta, se aumenta la corriente de carga para lograr una carga rápida. La corriente de carga rápida debe ser inferior a 1,0 C.

Carga de voltaje constante: durante la carga rápida, una vez que el voltaje de la celda alcanza los 4,2 V, comienza la fase de voltaje constante. La carga se detiene cuando la corriente de carga mínima cae por debajo de aproximadamente 0,07 C o un temporizador activa la interrupción.

Los cargadores de batería avanzados suelen incluir funciones de seguridad adicionales. Por ejemplo, si la temperatura de la batería supera el rango especificado (normalmente de 0 °C a 45 °C), el proceso de carga se detendrá. Las soluciones modernas de carga de baterías de iones de litio y polímero de litio integran o incluyen componentes externos para seguir estas características de carga, lo que garantiza una mayor eficiencia y seguridad.

2. Soluciones de carga de baterías de iones de litio y polímeros

La solución de carga para baterías de iones de litio/polímero varía según la cantidad de celdas, su configuración y el tipo de fuente de alimentación. Existen tres soluciones de carga principales: lineal, conmutación Buck (reductora) y conmutación SEPIC (elevadora y reductora).

2.1 Solución lineal

Cuando el voltaje de entrada es ligeramente superior al voltaje de circuito abierto de una celda completamente cargada, la solución lineal es la mejor opción. Esto es particularmente efectivo cuando la corriente de carga rápida de 1,0 C no es mucho mayor que 1 A. Por ejemplo, un reproductor de MP3 normalmente utiliza una sola celda con una capacidad que va de 700 a 1500 mAh y un voltaje de circuito abierto de 4,2 V. Estos dispositivos suelen utilizar un adaptador de CA/CC o una interfaz USB con una salida regulada de 5 V. En tales casos, un cargador lineal es la solución más eficiente y sencilla.

Ejemplo de aplicación: Cargador de Li+ de entrada dual MAX8677A: El MAX8677A es un cargador lineal con adaptador USB/CA de entrada dual con un selector de potencia inteligente integrado, adecuado para dispositivos portátiles alimentados por una batería de Li+ de una sola celda. El cargador cambia entre las entradas de potencia y carga la batería de manera óptima. También incluye limitación de corriente, regulación térmica, protección contra sobretensión y más, lo que garantiza una carga segura y eficiente para dispositivos como teléfonos inteligentes, PDA, cámaras y dispositivos GPS.

2.2 Solución de conmutación reductora

En los casos en los que la corriente de carga de 1,0 C supera 1 A o cuando el voltaje de entrada es mucho mayor que el voltaje de circuito abierto de la batería, una solución Buck (reductor) es una mejor opción. Por ejemplo, los reproductores multimedia portátiles con una sola celda de iones de litio y un amplio rango de voltaje de entrada (de 9 V a 16 V) se beneficiarán de esta solución, ya que es más eficiente que la carga lineal cuando hay una diferencia de voltaje significativa entre el voltaje de entrada y el de la batería.

2.3 Solución de conmutación SEPIC (elevación y reducción)

Para dispositivos con tres o más celdas de iones de litio/polímero conectadas en serie, donde el voltaje de entrada no siempre es mayor que el voltaje de la batería, la solución SEPIC es ideal. Por ejemplo, las computadoras portátiles suelen utilizar un paquete de baterías de iones de litio de 3 celdas con un voltaje de circuito abierto completamente cargado de 12,6 V. El convertidor SEPIC puede manejar ambos escenarios: cuando el voltaje de salida es mayor o menor que el voltaje de la batería.

3. Algoritmo de detección de potencia

Muchos productos portátiles dependen de la medición de voltaje para estimar la capacidad restante de la batería, pero la precisión de este método puede verse afectada significativamente por la velocidad de descarga, la temperatura y el envejecimiento de la batería. Para lograr una estimación más precisa de la capacidad de la batería, se utilizan medidores de potencia para medir la carga agregada o consumida por la batería, lo que proporciona estimaciones más precisas en una amplia gama de niveles de potencia de aplicación.

3.1 Ejemplo de aplicación del algoritmo de detección de potencia: diseño de paquete de baterías para aplicaciones portátiles de batería simple o doble

Un buen medidor de potencia para la detección de baterías debe medir al menos el voltaje, la temperatura y la corriente de la batería. Un microprocesador y un conjunto de algoritmos de detección de potencia bien probados son esenciales. Por ejemplo, los medidores de potencia bq2650x y bq27x00 vienen equipados con convertidores analógicos/digitales para medir el voltaje, la temperatura y la corriente, e integran los algoritmos de detección de potencia de TI para compensar la autodescarga, el envejecimiento, la temperatura y la velocidad de descarga. Estos medidores brindan información sobre la capacidad restante de la batería, y la serie bq27x00 incluso proporciona un tiempo estimado de funcionamiento hasta que se agote.

3.2 Ejemplo de aplicación del algoritmo de detección de potencia: nuevo circuito integrado para medidores de potencia de uso general

Varios fabricantes ofrecen una amplia gama de circuitos integrados de medición de potencia, lo que permite a los usuarios seleccionar el dispositivo más adecuado para optimizar la relación coste-beneficio del producto. Por ejemplo, el DS2762 de Dallas Semiconductor es un circuito integrado de medición de potencia de bajo coste y altamente integrado, adecuado para teléfonos móviles, PDA y otros dispositivos portátiles similares. Combina la detección de potencia con la protección contra sobretensión, subtensión y sobrecorriente. El DS2762 también ofrece una ruta de carga de recuperación con limitación de corriente cuando el voltaje de la batería cae por debajo de los 3 V, lo que proporciona una gestión eficiente de la energía.

4. Conclusión

La correcta aplicación de la tecnología de baterías en dispositivos electrónicos portátiles es fundamental para la selección de baterías de iones de litio o de polímero de litio y sus cargadores. La elección debe realizarse en función de los requisitos específicos del dispositivo electrónico portátil.