Caricabatterie per applicazioni portatili, un confronto tra le varie topologie

 

I dispositivi elettronici alimentati a batteria stanno diventando onnipresenti, anche in ambiti che non rientrano nella sfera dell’elettronica portatile. Queste applicazioni necessitano di tensioni e correnti diverse, che richiedono batterie con differenti configurazioni. Ad esempio, utensili elettrici portatili, laptop e droni richiede una potenza maggiore rispetto ai dispositivi fitness o alle cuffie wireless. La varietà dei livelli di potenza richiede una ampia offerta di topologie di caricabatterie.

Questo articolo esplora diverse topologie di carica della batteria, insieme ad esempi d’utilizzo.

Molte considerazioni riguardano la topologia di caricabatterie da utilizzare. Tutti i dispositivi alimentati a batteria contengono un carico che deve essere alimentato dalla batteria stessa. I requisiti di questo carico determineranno il livello di tensione e corrente necessari per il corretto funzionamento. La batteria può contenere celle collegate in serie, in grado di raggiungere la tensione più elevata e/o celle collegate in parallelo per raggiungere una capacità superiore. La configurazione del pacco batterie impone direttamente requisiti specifici per il caricatore, come ad esempio tensione e corrente di carica.

Oltre a questi fattori, all’interno di un dispositivo alimentato a batterie è necessario identificare una fonte per ricaricare il pacco batterie in un ragionevole lasso di tempo. Tipicamente la ricarica viene fornita da prese USB o da adattatori da rete. Mentre questi circuiti dispongono di tensioni e correnti differenti, è il circuito integrato (IC) del caricatore che garantisce la corretta carica della batteria con qualsiasi delle fonti a disposizione.

Topologie di caricabatterie per batterie aglio ioni di litio

Un IC per caricabatterie riceve energia da una sorgente di ingresso in corrente continua a la usa per caricare una batteria. Questa conversione di potenza può essere raggiunta attraverso diverse topologie, ognuna con compromessi e ottimizzazioni.

Un caricatore lineare controlla la resistenza di un dispositivo passivo al fine di regolare la corrente di carica e la tensione di carica. Un caricatore diretto, invece, controlla direttamente l’ingresso di tensione. In questo caso, il caricatore consiste in un dispositivo passivo utilizzato come una resistenza di corto circuito, e il sistema di ricarica della batteria deve comunicare con la sorgente di ingresso per completare un ciclo di carica. Sia nel caricatore lineare che in quello diretto la tensione di ingresso deve essere più alta della tensione della batteria per poter funzionare correttamente.  

Un caricabatterie a commutazione (switching) modula il ciclo di lavoro di una rete commutata e utilizza un induttore-condensatore passa-basso (Filtro LC) per regolare la corrente di carica o la tensione di carica indipendentemente dalla tensione di ingresso. Riorganizzando la commutazione con elementi e filtri LC, questo tipo di caricabatterie può alimentare la batteria con una tensione superiore o inferiore rispetto alla tensione di ingresso. 

Panoramica dei caricabatterie lineari

Come mostrato nella Figura 1a, un tipico caricatore lineare è costituito da due interruttori di blocco bidirezionali per isolare l’ingresso e l’uscita. Il punto medio o pinout tra questi due interruttori, spesso chiamato PMID, è in grado di alimentare il sistema. Pertanto, la tensione di sistema può variare dalla tensione di ingresso (quando presente) fino alla tensione della batteria, una  volta rimosso l’input. La separazione tra system voltage e battery voltage è chiamata “gestione del percorso di alimentazione” (power-path management) ed è una caratteristica comune tra i circuiti di carica.

Durante il normale funzionamento con l’ingresso presente, il primo interruttore si attiva e mette in corto l’ingresso su PMID, mentre il secondo interruttore modula la propria resistenza per regolare la corrente e la tensione all’uscita della batteria.

Un caricatore lineare è molto utile a causa della sua semplicità di progettazione in applicazioni che richiedono il minimo ingombro di su scheda (12 mm2) e una bassa corrente di quiescenza. Questo tipo di caricabatterie può anche raggiungere un’elevata precisione di regolazione a basse correnti di carica e non ha circuiti di commutazione ad alta frequenza, il che riduce al minimo i problemi di interferenza elettromagnetica (EMI). Lo svantaggio principale associato a questo dispositivo è la bassa efficienza (η), che è dettata solo dal rapporto tra le tensioni di ingresso e della batteria, η = VBAT / VIN. Per questo motivo, il suo utilizzo è in genere limitato alle applicazioni che richiedono meno di 1 A di corrente di carica, come fitness tracker indossabili o auricolari wireless. Si noti che il caricabatterie diretto descritto più avanti nell’articolo ha migliorato l’efficienza con la stessa architettura mantenendo VIN molto vicino a VBAT.

La Figura 1b mostra un esempio di circuito stampato per il modulo di valutazione (EVM) di un caricabatterie lineare con BQ25150. 

Panoramica dei caricabatterie per batterie a cella singola

Caricabatterie buck in modalità switch

Come mostrato nella Figura 2a, un tipico caricabatterie in modalità switch buck è costituito da quattro interruttori: il transistor a effetto di campo (FET) a blocco inverso utilizzato per impedire la scarica della batteria nell’ingresso, due FET di commutazione utilizzati come convertitore buck DC / DC e un FET della batteria utilizzato per raggiungere la funzionalità di gestione del percorso di alimentazione. In questa architettura, il sistema è alimentato dall’uscita del convertitore buck (quando è presente un ingresso) o dalla batteria (quando un ingresso è rimosso o sovraccarico).

I caricabatterie buck-mode superano i limiti di efficienza dei caricatori lineari. In genere, questi dispositivi possono mantenere efficienze dell’ordine del 91% nel punto di funzionamento ottimale, che è scalabile modificando l’area del silicio e dei componenti esterni. Un’area più ampia si traduce in una maggiore efficienza e correnti di carica più elevate. La versatilità di questo design rende il caricabatterie buck switch-mode una scelta popolare quando le correnti di carica sono superiori a 1 A. Le applicazioni includono controller per giochi, dispositivi portatili e soluzioni portatili di power bank. Il convertitore buck utilizza una commutazione ad alta frequenza per ottenere la conversione della tensione, che genera anche rumore e potenziali problemi EMI. La Figura 2b mostra un esempio di circuito stampato per l’EVM di un caricabatterie buck con BQ25898.

Caricabatterie buck-mode a tre livelli

Con l’aggiunta di un condensatore volante, CFLY, il buck a tre livelli mostrato nella Figura 3a, rispetto al caricabatterie buck nella Figura 2, riduce della metà lo stress di tensione sui FET di commutazione, raddoppia la frequenza di commutazione effettiva e la corrente di picco nell’induttore si riduce ad un quarto. Questi guadagni si traducono in alta efficienza e alta densità di potenza, che di solito sono in contrasto tra loro in un circuito buck-converter. Il nodo switch di un tipico convertitore buck varia sempre da VBUS a GND. Nell’architettura a tre livelli, supponendo che CFLY rimanga bilanciato su VBUS/2, il nodo switch si alterna da VBUS a VBUS/2 o VBUS/2 a GND, a seconda del rapporto di conversione. Ciò si traduce in un requisito di induttanza minore, che a sua volta significa maggiore efficienza e un’area più piccola.

Il caricabatterie buck-mode a tre livelli può raggiungere un’efficienza ancora maggiore (~ 95%) e un’area del circuito più piccola rispetto ai caricabatterie buck tradizionali. L’elevata efficienza e le eccellenti prestazioni termiche di questo design lo rendono adatto per le correnti di carica elevate (da circa 2,5 A a 4,5 A) richieste dai moderni smartphone. La Figura 3b mostra un esempio di circuito stampato per l’EVM di un caricabatterie buck a tre livelli con BQ25910.

Caricabatterie diretti

I caricabatterie trattati finora includono i circuiti per gestire la regolazione della corrente di carica o della tensione di carica. Un caricatore diretto affida la regolazione ad un adattatore esterno e utilizza un metodo per collegare direttamente l’ingresso all’uscita del caricatore. Questo metodo può raggiungere efficienze superiori del 96%, come un FET in corto tra VBUS e VBAT. Pertanto, le soluzioni di ricarica diretta oggi sono adatte per correnti di carica molto elevate da 4 a 8 A.

Il compromesso deriva dall’avere un adattatore in grado di raggiungere una regolazione ad alta precisione, con un host dedicato per monitorare costantemente i valori della batteria e comunicare con l’adattatore per eseguire la regolazione appropriata.

Due tipi popolari di caricabatterie diretti disponibili oggi sono il caricabatterie flash (Figura 4a) e quello switched capacitor (SC) 2: 1 (Figura 4c). Il caricabatterie flash impiega due FET in corto tra VBUS e VBAT per ottenere la carica. Ciò comporta le perdite più basse per un caricabatterie ed è anche l’opzione che occupa meno spazio. Il rovescio della medaglia è che la corrente della batteria è uguale alla corrente del cavo di ingresso, il che richiede cavi costosi con elevata capacità di corrente.

In alternativa, un caricabatterie SC 2: 1 può raggiungere un’efficienza molto elevata riducendo i requisiti di corrente in ingresso. Il caricabatterie SC è un convertitore di commutazione non regolato che raddoppia semplicemente la corrente di ingresso e dimezza la tensione di ingresso. Pertanto, questa soluzione richiede un adattatore intelligente che può essere regolato al doppio della tensione della batteria. Poiché IBAT è doppio IBUS, questa architettura raggiunge la massima corrente di carica di 8 A. Le figure 4b e 4d mostrano esempi di dimensioni dei circuiti PCB sia per i caricabatterie flash che per i caricatori SC 2: 1.

Confronto di efficienza tra topologie dirette e buck switching

La Figura 5 mostra i diagrammi di efficienza della carica rispetto alla corrente di carica per le topologie descritte finora. Queste le caratteristiche di ogni topologia:

  • La ricarica flash offre la massima efficienza, ma richiede costi elevati relativi al cavo di ingresso e all’adattatore.
  • Il caricabatterie SC 2: 1 offre un’alta efficienza e riduce i requisiti di costo sul cavo di ingresso, ma richiede comunque una comunicazione con l’adattatore per la regolazione su VBUS = 2 × VBAT
  • Il caricabatterie buck a tre livelli offre un’efficienza significativamente superiore rispetto al caricabatterie buck, con un PCB più piccolo. Questa soluzione è compatibile con sorgenti USB standard a 5 V o adattatori di tensione superiore.
  • Il convertitore buck è semplice e versatile; la sua efficienza può essere ridotta in base al costo e all’area del circuito ed è anche compatibile con adattatori di tensione USB standard da 5 V o superiori. Le efficienze del convertitore buck e del convertitore buck a tre livelli sono misurate con un ingresso a 9 V.

Panoramica di un caricabatterie doppio

La doppia ricarica è stata utilizzata nel settore degli smartphone dal 2015 per ottenere una corrente di carica più elevata e consiste nel posizionare due caricabatterie in parallelo. Un caricabatterie principale fornisce corrente di carica e supporta il carico del sistema. Un caricabatterie parallelo fornisce corrente di carica aggiuntiva ad alta efficienza. La doppia ricarica è possibile con tutte le topologie di commutazione viste finora in questo articolo.

Panoramica dei caricabatterie switch-mode per batterie multi-cell

Caricabatterie boost

Un caricabatterie boost funziona come un convertitore buck al contrario, generando così una tensione di uscita per il sistema che è superiore alla tensione di ingresso. Ciò consente l’alimentazione di carichi che richiedono alta tensione e / o correnti di picco elevate per un corretto funzionamento, come motori, stampanti o altoparlanti.

Il tipico caricabatterie boost disponibile sul mercato può caricare una batteria agli ioni di litio a due celle da una fonte USB standard da 5 V. Si consiglia il bilanciamento delle celle per garantire la massima capacità e durata della batteria quando si utilizzano più di due batterie in serie. Alcuni caricabatterie possono includere funzionalità di bilanciamento delle celle.  La Figura 6 mostra l’architettura tipica e un esempio di circuito stampato per un caricabatterie boost a due celle.

 

Regolatore di carica buck-boost

Il controller di carica buck-boost aziona quattro FET di commutazione esterni per caricare una batteria da un ingresso che è al di sotto o al di sopra della tensione di carica desiderata. Questo controller ha una transizione senza soluzione di continuità tra le modalità operative buck, buck-boost e boost, rendendolo un caricabatterie veramente universale per batterie da una a quattro celle. La gamma di tensioni di ingresso è compatibile con l’erogazione dell’alimentazione USB (PD), funzionando da 3,5 V fino a 24 V. Questa ampia gamma di tensioni operative aggiunge grande flessibilità, rendendo questa soluzione attraente per aspirapolvere robot, droni e computer portatili. La Figura 7 mostra l’architettura tipica e un esempio di circuito stampato per un caricabatterie buck-boost.

Confronto di efficienza tra topologie di commutazione boost e buck-boost

La Figura 8 mostra i grafici relativi all’efficienza della carica rispetto alla corrente di carica per il caricabatterie boost e il regolatore di carica buck-boost quando configurato per caricare una batteria a due celle in serie da una sorgente a 5 V. Ecco le caratteristiche distintive di ogni topologia:

  • Un controller di carica buck-boost offre un’elevata efficienza di carica per una corrente di carica elevata, ma richiede una soluzione di dimensioni maggiori con FET di alimentazione esterna.
  • Il caricabatterie boost gestisce fino a 15 W di potenza in ingresso per caricare una batteria a due celle in serie e integra tutti i FET di potenza, riducendo le dimensioni della soluzione e semplificando la progettazione del circuito.

Conclusione

Le topologie di caricabatterie si sono evolute per affrontare le sfide associate a diverse applicazioni alimentate a batteria. Mentre una corrente di quiescenza ultra-bassa potrebbe essere fondamentale per, ad esempio, i fitness tracker, la capacità di gestire configurazioni a più celle potrebbe essere fondamentale nei progetti di droni. La Tabella 1 riassume le varie topologie di caricabatterie, insieme a metriche e caratteristiche chiave.

a cura di Alvaro Aguilar, Member Group Technical Staff, Battery Charger Systems Engineer, Texas Instruments.

 

 

 

 

 

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