Describir brevemente la tecnología de batería de los dispositivos electrónicos portátiles actuales.

Prefacio

La tecnología de batería de respaldo electrónica portátil actual incluye algoritmos de detección de energía, algoritmos de carga de batería y tecnología de carga de batería. Como todos sabemos, la reacción química de la batería recargable tiene cuatro programas: níquel cadmio, níquel hidrógeno, iones de litio y polímero de litio. Como dispositivo electrónico portátil, aunque estos cuatro programas de batería tienen sus propias características, lo son en términos de densidad de energía y seguridad. El desarrollo y la práctica muestran que las ventajas de las baterías de iones de litio y las baterías de polímero de litio se han vuelto ideales para dispositivos pequeños y de larga duración, como computadoras portátiles y PMP con disco duro. Para los ingenieros de equipos electrónicos portátiles, la elección y aplicación correctas de la tecnología de baterías en equipos electrónicos portátiles son de suma importancia. Este artículo discutirá esto y analizará los ejemplos de aplicación.

1. Algoritmo de carga de la batería para carga lenta, carga rápida y carga estable

Dependiendo de los requisitos de energía de la aplicación final, un paquete de baterías puede contener hasta cuatro celdas de batería de iones de litio o de polímero de litio en una variedad de configuraciones, con un adaptador de corriente principal: adaptador directo, interfaz USB o dispositivo de carga para automóvil. Estos paquetes de baterías tienen las mismas características de carga, independientemente del número de celdas, la configuración de las celdas o el tipo de adaptador de corriente. Entonces sus algoritmos de carga son los mismos. Los mejores algoritmos de carga para baterías de iones de litio y de polímero de litio se pueden dividir en tres fases: carga lenta, carga rápida y carga estable.

Carga lenta. Se utiliza para cargar celdas de descarga profunda. Cuando el voltaje de la celda está por debajo de aproximadamente 2,8 voltios, se carga con una corriente constante de 0,1 grados Celsius.

carga rápida. Cuando el voltaje de la celda excede el umbral de carga lenta, la corriente de carga aumenta para una carga rápida. La corriente de carga rápida debe ser inferior a 1,0 grados Celsius.

Voltaje estable. Durante el proceso de carga rápida, una vez que el voltaje de la celda alcanza los 4.2 v, comienza la fase de voltaje estable. En este momento, la carga se puede interrumpir con una corriente de carga mínima o un temporizador o una combinación de los dos. La carga se puede interrumpir cuando la corriente mínima está por debajo de aproximadamente 0,07 grados Celsius. El temporizador se basa en un temporizador preestablecido para activar una interrupción.

Los cargadores de baterías avanzados suelen tener características de seguridad adicionales. Por ejemplo, si la temperatura de la celda supera una ventana determinada, normalmente de 0 ° C a 45 ° C, se suspenderá la carga. Además de algunos dispositivos de muy baja gama, las soluciones actuales de carga de baterías Li-Ion / Li-Polymer están integradas o tienen componentes externos para cargar según las características de carga, no solo para una mejor carga. También es por seguridad.

2.Programa de carga de batería de iones de litio / polímero

El esquema de carga para baterías de polímero / iones de litio es diferente para diferentes números de celdas, configuraciones de celdas y tipos de energía. Actualmente hay tres opciones de carga principales: interruptores lineales, buck (buck) e interruptores SEPIC (boost y buck).

2.1 esquema lineal

Cuando el voltaje de entrada del cargador es mayor que el voltaje de circuito abierto después de que las celdas estén completamente cargadas más suficiente espacio libre, es mejor usar un esquema lineal, especialmente si la corriente de carga rápida de 1.0 grados Celsius no es mucho mayor que uno. Por ejemplo, un reproductor MP3 generalmente tiene una sola batería y la capacidad varía de 700 a 1500 mah. El voltaje de circuito abierto de carga completa es de 4,2 v. La potencia del reproductor MP3 suele ser un adaptador de CA / CC o una interfaz USB, y su salida es una corriente de 5 v; En este momento, el cargador de solución lineal es la solución más simple y eficiente. La Figura 2 muestra un esquema lineal para un esquema de carga de batería de Li-Ion / Polímero con la misma estructura básica que un regulador de voltaje lineal.

Ejemplo de aplicación de cargador de solución lineal: cargador de doble entrada de Li + y selector inteligente de energía El MAX8677A.MAX8677A es un cargador lineal con adaptador USB / CA de doble entrada con SmartPowerSelector integrado para la alimentación desde un dispositivo portátil recargable de batería de Li + de celda única. El cargador integra todos los interruptores de alimentación necesarios para la carga de la batería y la energía externa y las cargas de conmutación, lo que elimina la necesidad de un MOSFET externo. El MAX8677A es ideal para dispositivos portátiles como teléfonos inteligentes, PDA, reproductores multimedia portátiles, dispositivos de navegación GPS, cámaras digitales y una cámara de video digital.

El MAX8677A puede funcionar desde una entrada de alimentación de adaptador de CA y USB independiente o cualquiera de las dos entradas. Cuando se conecta a una fuente de energía externa, el selector de energía inteligente permite que el sistema se desconecte de la batería o se pueda conectar a una batería de descarga profunda. El selector de energía inteligente cambia automáticamente la batería a la carga del sistema y usa la sección de energía de entrada no utilizada del sistema para cargar la batería, aprovechando la energía de entrada limitada del USB y del adaptador. Todos los circuitos de detección de corriente necesarios, incluidos los interruptores de alimentación integrados, están integrados en el chip. El límite de corriente de entrada de CC se puede ajustar hasta 2, mientras que las entradas de CC y USB admiten los modos de suspensión de 100 mA, 500 mA y USB. La corriente de carga se puede ajustar hasta 1,5 para admitir una amplia gama de capacitancia de la batería. Otras características del MAX8677A incluyen regulación térmica, protección contra sobrevoltaje, estado de carga y salida de falla, monitoreo de buena potencia, monitoreo de termistor de batería y temporizador de carga. El MAX8677A está disponible en un paquete TQFN de 4 mm x 4 mm y 24 pines que ahorra espacio y se especifica en el rango de temperatura extendido (-40 a + 85 ° C).

2.2 Programa de cambio de dólar estadounidense (buck)

Cuando la corriente cargada a 1.0 grados Celsius es mayor que 1, o el voltaje de entrada es mucho más alto que el voltaje de circuito completamente abierto de la celda, la solución Buck o Buck es una mejor opción. Por ejemplo, en un PMP basado en disco duro, generalmente se usa una batería de iones de litio de celda única, con un voltaje de circuito abierto de llenado completo de 4.2 vy una capacidad que varía de 1200 a 2400 mah. Ahora, el PMP generalmente se carga con un equipo para automóvil y su voltaje de salida está entre 9 y 16 v. Una diferencia de voltaje relativamente alta (mínimo 4.8 v) entre el voltaje de entrada y el voltaje de la batería reducirá la eficiencia del esquema lineal. Esta ineficiencia, junto con una corriente de carga rápida de 1 c superior a 1,2, puede provocar problemas térmicos graves. Para evitar esta situación, se utiliza el esquema de Barker. La Figura 3 es un diagrama esquemático del esquema del cargador Barker de batería de polímero / iones de litio. La estructura básica es exactamente la misma que la del regulador de voltaje de conmutación Buck (buck).

2.3 esquema de conmutación sepic (boost y buck)

En algunos dispositivos que usan tres o incluso cuatro celdas de polímero / iones de litio en serie, el voltaje de entrada del cargador no siempre es mayor que el voltaje de la batería. Por ejemplo, una computadora portátil usa una batería de iones de litio de 3 celdas y está completamente cargada con un voltaje de circuito abierto. Es de 12,6 v (4,2 vx3) con una capacidad de 1800 mah a 3600 mah. La potencia de entrada es un adaptador AC / DC con un voltaje de salida de 16 vo un equipo para automóvil con un voltaje de salida entre 9 y 16 v. Obviamente, ni el esquema lineal ni el Buck pueden cargar este paquete de baterías. Esto requiere el esquema SEPIC, que funciona cuando el voltaje de salida es mayor que el voltaje de la batería y también cuando el voltaje de salida es menor que el de la batería.

3.algoritmo de detección de electricidad

Muchos productos portátiles utilizan mediciones de voltaje para estimar la energía restante de la batería, pero la relación entre el voltaje de la batería y la energía residual varía con la energía, la temperatura y el envejecimiento de la batería, lo que hace que este método sea un error. La tasa puede ser de hasta el 50%. La demanda del mercado de productos más duraderos sigue aumentando, por lo que los diseñadores de sistemas necesitan soluciones más precisas. El uso de un indicador de combustible para medir la cantidad de carga de la batería o la energía consumida proporcionará una estimación más precisa de la energía de la batería en una amplia gama de niveles de energía de la aplicación.

3.1 Uno de los ejemplos de aplicación del algoritmo de detección de energía, el diseño de paquete de batería de aplicación portátil de batería única y doble completamente funcional

El principio de detección de electricidad. Un mejor indicador de combustible debe tener al menos voltaje de la batería, temperatura y corriente de la batería, método de medición; un microprocesamiento 9; y un conjunto de algoritmos de detección de potencia probados. Los bq2650x y bq27x00 son medidores de combustible completamente funcionales con un convertidor de analógico a digital (ADC) que mide voltaje y temperatura y un convertidor de analógico a digital que mide la detección de corriente y carga. Estos medidores de combustible también tienen un microprocesador que es responsable de ejecutar los algoritmos de detección de combustible de Texas Instruments. Estos algoritmos compensan las tasas de autodescarga, envejecimiento, temperatura y descarga de las baterías de iones de litio. El microprocesador incluido en el chip ahorra estas cargas computacionales para el procesador del sistema anfitrión. El indicador de combustible puede proporcionar información como el estado restante de la batería. Los productos de la serie Bq 27x00 también proporcionan el tiempo de ejecución restante (RunTimetoEmpty). El anfitrión puede consultar el indicador de combustible en cualquier momento y luego informar al usuario de la información de la batería a través del indicador de plomo o la visualización en pantalla. El indicador de combustible es fácil de usar y el procesador del sistema solo necesita configurarse con un controlador de comunicación HDQ de 12 cor.

Descripción del circuito del paquete de baterías. La figura 4 (a) muestra un circuito de aplicación de paquete de batería típico con una función de identificación IC. Dependiendo del IC del medidor de potencia utilizado, la batería debe tener al menos tres o cuatro terminales externos. Los pines VCC y bat están conectados al voltaje de la batería para suministrar energía a C y medir el voltaje de la batería. Una resistencia de detección de baja resistencia está conectada a la tierra de la batería para permitir que las entradas SRP y SRN de alta impedancia del indicador de combustible monitoreen el voltaje a través de la resistencia de detección. La corriente que fluye a través de la resistencia de detección se puede utilizar para determinar la cantidad de carga que la batería se está cargando o descargando. Cuando el diseñador elige detectar el valor de la resistencia, se debe considerar que el voltaje a través de la resistencia no debe exceder los 100 mv. Un valor de resistencia demasiado bajo puede provocar un error cuando la corriente es pequeña. El diseño de la placa debe garantizar que las conexiones del SRP y SRN a la resistencia de detección estén lo más cerca posible de los terminales de la resistencia de detección, en otras palabras, deben estar cableadas en Kelvin.

El pin HDQ requiere una resistencia pull-up externa que debe estar en el host o en la aplicación principal para que el medidor pueda habilitar la suspensión cuando la batería está desconectada del dispositivo portátil. Se recomienda utilizar 10 kΩ para el valor de la resistencia de pull-up.

Identificación del paquete de baterías. El problema de las baterías falsificadas y baratas es cada vez más grave. Es posible que estas baterías no contengan el circuito de protección de seguridad requerido por el OEM. Por lo tanto, el paquete de baterías genuino puede incluir el circuito de identificación que se muestra en la Figura 4 (a). Cuando se va a autenticar la batería, el host envía un valor de consulta (desafío) al paquete de baterías que contiene el IC (bq26150, que actúa como una verificación de redundancia cíclica (CRC). El CRC contenido en el paquete de baterías se basará en este valor de consulta y dentro del IC. El polinomio CRC se construye para calcular el valor CRC. El CRC se basa en el comando de consulta basado en el host y el polinomio CRC definido en secreto en el IC. El host también compara bien el cálculo del valor CRC con el paquete de baterías para determinar si la autenticación es exitosa. Mediante la identificación, el bq26150 emitirá una instrucción para garantizar que la comunicación de la línea de datos entre el host y el indicador de combustible sea normal. Cuando la conexión de la batería se interrumpe o se vuelve a conectar, todo el proceso de autenticación ser repetido.

3.2 Un ejemplo de un nuevo tipo de circuito integrado que se puede aplicar a una variedad de medidores de General Electric

Hoy en día, muchos fabricantes ofrecen una amplia gama de indicadores de combustible IC, entre los que los usuarios pueden seleccionar los dispositivos funcionales adecuados para optimizar la relación precio / rendimiento de sus productos. Usando un indicador de combustible para almacenar los parámetros medidos de la batería, esta arquitectura dividida permite al usuario personalizar el algoritmo del indicador de combustible dentro del host. Esto elimina el costo del procesador integrado en la batería. Este es un análisis típico del chip DS2762, ejemplificado por Dallas Semiconductor. Un nuevo tipo de circuito integrado de indicador de combustible separado, cuya estructura se muestra en la Figura 5 (a).

Características de la aplicación DS2762

El DS2762 es un circuito de protección y medidor de combustible de batería de litio de una sola celda que está integrado en un pequeño paquete de chip abatible de 2,46 mm x 2,74 mm. Gracias a las resistencias de alta precisión integradas para la detección de energía, este dispositivo es muy eficiente en cuanto al espacio. Su pequeño tamaño e incomparable alta integración son ideales para baterías de teléfonos móviles y otros productos de mano similares como PDA. El circuito de protección integrado monitorea continuamente la batería para detectar sobretensión, subtensión y fallas por sobrecorriente (durante la carga o descarga). A diferencia del IC de protección independiente, el DS2762 permite que el procesador host supervise / controle el estado de conducción del FET, de modo que el control de potencia del sistema se pueda lograr a través del circuito de protección DS2762. El DS2762 también puede cargar una batería muy descargada cuando el voltaje es inferior a 3 v, se proporciona una ruta de carga de recuperación de corriente.

El DS2762 monitorea con precisión la corriente, el voltaje y la temperatura de la batería con rango dinámico y resolución para cumplir con los estándares de prueba de cualquier producto de comunicaciones móviles popular. La corriente medida integra la base de tiempo generada internamente para lograr la medición de la electricidad. La precisión del indicador de combustible se mejora mediante la corrección de compensación automática continua en tiempo real. La resistencia de detección incorporada elimina los cambios de resistencia debidos al proceso de fabricación y la temperatura, mejorando aún más la precisión del indicador de combustible. Los datos importantes se almacenan en 32 bytes, eepm bloqueable; Se utilizan 16 bytes de SRAM para almacenar datos dinámicos. Toda la comunicación con el DS2762 se realiza a través de una interfaz de comunicación multinodo de una línea, lo que minimiza la conexión entre el paquete de baterías y el host. Sus principales características son el protector de batería de litio de celda única; corriente de alta precisión (medición de energía eléctrica), medición de voltaje y temperatura; resistencia de detección de 25 mΩ integrada opcional, cada DS2762 se ajusta individualmente; La batería de 0 v reanuda la carga; 32 bytes eepm bloqueable, SRAM de 16 bytes, chip de 64 bits;

Interfaz de comunicación digital de una línea, múltiples nodos; admite la administración de energía de grupo de baterías múltiples y realiza el control de energía del sistema protegiendo los transistores de efecto de campo; en el modo de reposo, la corriente de suministro es solo 2 (máxima) y la corriente de funcionamiento es 90 (máxima); Paquete de chip abatible de 2,46 mm x 2,74 mm o paquete SSOP de 16 pines, con o sin resistencias de detección; complejo con una placa de evaluación.

4. Conclusión

La aplicación de la tecnología de baterías electrónicas portátiles es la base para la selección de baterías de iones de litio y baterías de polímero de litio y sus cargadores. Cómo elegir el adecuado también debe depender de los requisitos específicos del equipo electrónico portátil.

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