Tecnologia de baterias para dispositivos eletrônicos portáteis

Introdução

Hoje, a tecnologia de baterias em dispositivos eletrônicos portáteis inclui vários aspectos, como algoritmos de detecção de energia, algoritmos de carregamento de bateria e técnicas de carregamento de bateria. Baterias recarregáveis ​​vêm em vários tipos, incluindo baterias de níquel-cádmio, níquel-hidreto metálico, íon-lítio e polímero de lítio. Embora cada um desses tipos de bateria tenha suas características, as baterias de íon-lítio e polímero de lítio se tornaram a escolha ideal para dispositivos pequenos e de longa duração, como laptops e reprodutores de mídia portáteis (PMPs) baseados em disco rígido, devido à sua densidade de energia e recursos de segurança. Para engenheiros que trabalham com eletrônicos portáteis, é crucial selecionar e aplicar corretamente a tecnologia de bateria, e este artigo discutirá e analisará esses aspectos com exemplos práticos.

1. Algoritmos de carregamento de bateria: carregamento lento, rápido e de tensão constante

Dependendo dos requisitos de energia da aplicação final, um pacote de bateria pode conter até quatro células de íons de lítio ou polímero de lítio, configuradas de várias maneiras e alimentadas por um adaptador primário: adaptador direto, interface USB ou carregador de carro. Apesar das diferenças no número de células, sua configuração ou o tipo de adaptador de energia, esses pacotes de bateria compartilham as mesmas características de carregamento e, portanto, os algoritmos de carregamento são semelhantes. O algoritmo de carregamento ideal para baterias de íons de lítio e polímero de lítio pode ser dividido em três estágios: carregamento lento, carregamento rápido e carregamento de tensão constante.

Carregamento lento: usado para células profundamente descarregadas. Quando a voltagem da célula cai abaixo de aproximadamente 2,8 V, uma corrente constante de 0,1 C é aplicada para carregar a célula.

Carregamento rápido: Uma vez que a voltagem da célula excede o limite de carregamento lento, a corrente de carregamento é aumentada para carregamento rápido. A corrente de carga rápida deve ser menor que 1,0C.

Carregamento de Tensão Constante: Durante o carregamento rápido, uma vez que a tensão da célula atinge 4,2 V, a fase de tensão constante começa. O carregamento é interrompido quando a corrente de carga mínima cai abaixo de cerca de 0,07 C, ou um temporizador aciona a interrupção.

Carregadores de bateria avançados normalmente vêm com recursos de segurança adicionais. Por exemplo, se a temperatura da bateria exceder a faixa especificada (normalmente de 0°C a 45°C), o processo de carregamento será pausado. Soluções modernas de carregamento de baterias de íons de lítio e polímeros de lítio integram ou incluem componentes externos para seguir essas características de carregamento, garantindo melhor eficiência e segurança.

2. Soluções de carregamento de baterias de íons de lítio/polímero

A solução de carregamento para baterias de íons de lítio/polímero varia dependendo do número de células, sua configuração e o tipo de fonte de alimentação. Existem três soluções principais de carregamento: linear, comutação Buck (step-down) e comutação SEPIC (step-up e step-down).

2.1 Solução Linear

Quando a tensão de entrada é ligeiramente maior do que a tensão de circuito aberto de uma célula totalmente carregada, a solução linear é a melhor opção. Isso é particularmente eficaz quando a corrente de carga rápida de 1,0 C não é muito maior do que 1 A. Por exemplo, um tocador de MP3 normalmente usa uma única célula com uma capacidade variando de 700 a 1500 mAh e uma tensão de circuito aberto de 4,2 V. Esses dispositivos geralmente usam um adaptador CA/CC ou uma interface USB com uma saída regulada de 5 V. Nesses casos, um carregador linear é a solução mais eficiente e direta.

Exemplo de aplicação: Carregador Li+ de entrada dupla MAX8677A: O MAX8677A é um carregador linear com adaptador USB/CA de entrada dupla com um seletor de energia inteligente integrado, adequado para dispositivos portáteis alimentados por uma bateria Li+ de célula única. O carregador alterna entre entradas de energia e carrega a bateria de forma ideal. Ele também inclui limitação de corrente, regulação térmica, proteção contra sobretensão e muito mais, garantindo um carregamento seguro e eficiente para dispositivos como smartphones, PDAs, câmeras e dispositivos GPS.

2.2 Solução de comutação Buck (Step-down)

Para casos em que a corrente de carga de 1,0C excede 1A ou quando a tensão de entrada é muito maior do que a tensão de circuito aberto da bateria, uma solução Buck (step-down) é uma escolha melhor. Por exemplo, tocadores de mídia portáteis com uma única célula de íons de lítio e uma ampla faixa de tensão de entrada (9V a 16V) se beneficiarão desta solução, pois ela é mais eficiente do que o carregamento linear quando há uma diferença de tensão significativa entre a tensão de entrada e a tensão da bateria.

2.3 Solução de comutação SEPIC (Step-up e Step-down)

Para dispositivos com três ou mais células de íons de lítio/polímero conectadas em série, onde a tensão de entrada nem sempre é maior que a tensão da bateria, a solução SEPIC é ideal. Por exemplo, laptops normalmente usam um pacote de bateria de íons de lítio de 3 células com uma tensão de circuito aberto totalmente carregada de 12,6 V. O conversor SEPIC pode lidar com ambos os cenários: quando a tensão de saída é maior ou menor que a tensão da bateria.

3. Algoritmo de detecção de energia

Muitos produtos portáteis dependem da medição de voltagem para estimar a capacidade restante da bateria, mas a precisão desse método pode ser significativamente afetada pela taxa de descarga, temperatura e envelhecimento da bateria. Para obter uma estimativa mais precisa da capacidade da bateria, medidores de energia são usados ​​para medir a carga adicionada ou consumida pela bateria, fornecendo estimativas mais precisas em uma ampla gama de níveis de energia de aplicação.

3.1 Exemplo de aplicação do algoritmo de detecção de energia: projeto completo de pacote de bateria portátil com bateria simples/dupla

Um bom medidor de energia para detecção de bateria deve medir pelo menos a voltagem, temperatura e corrente da bateria. Um microprocessador e um conjunto de algoritmos de detecção de energia bem testados são essenciais. Por exemplo, os medidores de energia bq2650x e bq27x00 vêm equipados com ADCs para medir voltagem, temperatura e corrente, e integram os algoritmos de detecção de energia da TI para compensar autodescarga, envelhecimento, temperatura e taxa de descarga. Esses medidores fornecem informações sobre a capacidade restante da bateria, e a série bq27x00 ainda fornece tempo estimado de execução para esvaziar.

3.2 Exemplo de aplicação do algoritmo de detecção de energia: novo CI para medidores de energia de uso geral

Vários fabricantes oferecem uma ampla gama de CIs de medidores de potência, permitindo que os usuários selecionem o dispositivo mais adequado para otimizar a relação custo-benefício do produto. Por exemplo, o DS2762 da Dallas Semiconductor é um CI de medidor de potência de baixo custo e altamente integrado, adequado para celulares, PDAs e outros dispositivos portáteis semelhantes. Ele combina detecção de potência com proteção contra sobretensão, subtensão e sobrecorrente. O DS2762 também oferece um caminho de carga de recuperação limitador de corrente quando a tensão da bateria cai abaixo de 3 V, fornecendo gerenciamento de energia eficiente.

4. Conclusão

Aplicar adequadamente a tecnologia de bateria em dispositivos eletrônicos portáteis é crucial para selecionar baterias de íons de lítio ou polímero de lítio e seus carregadores. A escolha deve ser feita com base nos requisitos específicos do dispositivo eletrônico portátil.