Commutazione e protezione dei circuiti elettronici in sistemi alimentati a batteria

I circuiti elettronici alimentati a batteria pongono vari problemi a un ingegnere di sistemi di alimentazione. Nel presente articolo, esploreremo le caratteristiche e i vantaggi offerti da un nuovo dispositivo a micropotenza di protezione della batteria, ideale per impieghi delle batterie che spaziano in vari settori: automotive, medicale, e consumer. 

Introduzione

A un livello teorico, i circuiti correlati alla batteria (prima della conversione CC/CC) possono essere divisi in quattro funzioni: selezione della potenza, carica (per le batterie ricaricabili), monitoraggio e protezione. Il circuito di selezione della potenza stabilisce le priorità fra le varie fonti di alimentazione in genere disponibili in un sistema alimentato a batteria, per es., adattatore da parete, porta USB e batteria interna, mentre il circuito di carica deve essere personalizzato in base alla specifica composizione chimica della batteria. Il circuito di monitoraggio trasmette i dati relativi alla tensione della batteria, al livello di carica e al valore di temperatura, e quando utilizzato insieme a un circuito di protezione della batteria assicura affidabilità maggiore.

Considerazioni necessarie durante la progettazione di un sistema alimentato a batteria

Anche semplici problemi correlati alla batteria, non solo incendi ed esplosioni, possono macchiare la reputazione di un prodotto. Occorre quindi prestare attenzione alla progettazione delle caratteristiche di sicurezza riguardanti la batteria. Le batterie sono fornite con valori nominali della corrente di carica e scarica, il cui superamento comporta il riscaldamento della batteria, il che non solo ne riduce la durata ma, nel caso peggiore, può causarne l’esplosione. La protezione contro le sovracorrenti può essere realizzata con fusibili, che però sono voluminosi, lenti a intervenire e presentano tolleranze notevoli della soglia di intervento (Figura 1). Per prevenire danni irreversibili, le batterie ricaricabili devono essere scollegate prima di raggiungere la fase di scarica profonda. Per una cella agli ioni di litio da 3,7V, questo livello è pari a circa 2,5V.

Per scollegare la batteria dal carico è necessario un circuito di blocco da sottotensione (UV), realizzabile con un comparatore, una tensione di riferimento e un interruttore a stato solido. Un interruttore high-side MOSFET a canale P non ha bisogno di una pompa di carica per essere portato nello stato On, riducendo l’assorbimento di corrente della batteria, ma i MOSFET a canale P offrono una scelta limitata e un costo superiore rispetto ai MOSFET a canale N a parità di resistenza On. Al contrario, se è possibile far flottare la linea di massa si può utilizzare un interruttore MOSFET a canale N, più efficiente. La soglia di sottotensione deve avere isteresi sufficiente, altrimenti il circuito di blocco da sottotensione oscillerebbe fra gli stati On e Off poiché la tensione della batteria viene ripristinata dopo il disinserimento del carico.  Dopo la protezione della batteria, è necessario considerare la protezione del carico. I soppressori di tensioni transitorie assicurano la protezione contro sovratensioni (OV) durante condizioni di breve durata come oscillazioni e picchi transitori, ma cessano di funzionare quando vengono applicate sovratensioni CC o sostenute. È quindi necessario un altro comparatore per proteggere il carico contro una sovratensione all’ingresso. Se una batteria viene inserita in modo sbagliato, ossia con polarità invertita, il carico potrebbe essere danneggiato se non è in grado di tollerare tensioni negative. Per bloccare la tensione negativa si utilizza un diodo in serie, che però dissipa potenza e causa una riduzione notevole della tensione durante il funzionamento in polarizzazione diretta. Come si è visto, sono necessari molti circuiti e componenti discreti per realizzare una protezione completa per sistemi alimentati a batteria. Al tempo stesso, il consumo di corrente di quiescenza di questi circuiti deve essere mantenuto basso, per non ridurre il tempo di standby e l’autonomia della batteria. Ad esempio, i moduli elettronici per autoveicoli hanno una corrente di standby inferiore a 100µA per prevenire la scarica della batteria quando l’auto rimane parcheggiata per alcune settimane. Nel caso di circuiti che dissipano correnti elevate, si può utilizzare un relè per scollegarli dalla batteria. I relè vengono impiegati anche per inserire e disinserire il carico ma sono componenti voluminosi, che impediscono di ridurre il fattore di forma. È quindi necessario un metodo di protezione più semplice ed efficiente.

Una soluzione a bassa corrente di quiescenza per la protezione e regolazione dei sistemi di alimentazione a batteria

Il circuito integrato LTC4231 è un controller Hot Swap a corrente di quiescenza (IQ) ultrabassa, che consente di inserire ed estrarre in sicurezza schede o batterie di sistemi funzionanti a tensioni comprese fra 2,7V e 36V (Figura 2). Un tale intervallo di tensioni è adatto per un’ampia gamma di composizioni chimiche della batteria: piombo-acido, ioni di litio e set di batterie alcaline, NiMH o NiCad.  Il circuito integrato LTC4231 controlla MOSFET esterni a canale N a basse perdite per caricare e inserire gradualmente i condensatori della scheda, prevenendo scintille, danni ai connettori e glitch del sistema.

Figura 1: un possibile circuito discreto di protezione del carico e della batteria

 

Figura 2: l’interruttore automatico elettronico e controller Hot Swap LTC4231 consuma appena 4µA di corrente di quiescenza ed è quindi ideale per sistemi alimentati a batteria

Il livello della corrente di spunto e di avvio graduale è regolabile facilmente con un resistore-condensatore collegati al gate del MOSFET. Durante il normale funzionamento (pass-MOSFET completamente On), la protezione a doppio livello contro la sovracorrente è fornita da un interruttore automatico temporizzato e da un limitatore di corrente veloce. In caso di sovraccarichi di minore entità, viene attivato un timer di prevenzione guasti; quando il timer si arresta, i MOSFET vengono aperti per scollegare il carico. Durante l’applicazione di sovraccarichi notevoli o in caso di un cortocircuito all’uscita, il timer di prevenzione guasti viene attivato e la corrente di carico è limitata al 60% oltre la soglia dell’interruttore automatico. A seconda dell’opzione, LTC4231 rimane disinserito dopo un guasto di sovracorrente o si inserisce automaticamente dopo un periodo di raffreddamento di 500ms. Il circuito di protezione contro la sottotensione disinserisce le batterie a bassa tensione per prevenire la scarica profonda, mentre l’isteresi regolabile previene oscillazioni risultanti dal ripristino della batteria dopo la rimozione del carico.

La presenza di una sovratensione all’ingresso fa sì che il carico venga scollegato, prevenendo danni. Il controller LTC4231 rimane funzionale e inoltre protegge i circuiti a valle contro l’inversione della tensione della batteria, sino a −40V, controllando i MOSFET a canale N back-to-back (Figura 3). Un singolo MOSFET è sufficiente se la protezione contro l’inversione dell’ingresso non è necessaria. Anche con questa notevole funzionalità, la corrente di quiescenza del dispositivo è uguale ad appena 4µA durante il normale funzionamento; portando LTC4231 nella modalità di arresto se ne riduce la IQ a 0,3μA e si aprono i MOSFET di potenza a canale N esterno per scollegare i circuiti a valle, prolungando il tempo di standby della batteria. Per assicurare il funzionamento a bassa corrente, i partitori resistivi per la protezione contro sottotensione e sovratensione sono collegati a una massa con strobe, che ne riduce di 50 volte l’assorbimento di corrente medio.

Figura 3: quando viene inserita una batteria invertita, per es., −24V all’ingresso (IN), LTC4231 protegge il carico bloccando la tensione negativa affinché non si propaghi sino all’uscita (OUT). I MOSFET back-to-back (illustrati nella Figura 2) sono necessari ai fini della protezione contro l’ingresso invertito.

Tecniche di riduzione della corrente di quiescenza

Il circuito integrato LTC4231 impiega due tecniche innovative per ridurre il consumo di corrente durante il normale funzionamento e al contempo assicura protezione indistinguibile da quella fornita da altri controller che consumano un’elevata corrente. Per inserire i MOSFET a canale N esterni e ridurne la resistenza On, LTC4231 utilizza una pompa di carica interna per generare una tensione di gate di almeno 10V superiore alla tensione d’ingresso. In altri controller, la pompa di carica funziona continuamente anche dopo che il gate viene portato allo stato On, fondamentalmente rimanendo inattiva ma contribuendo in modo notevole al consumo di corrente di quiescenza. Invece LTC4231 arresta la pompa di carica non appena il gate del MOSFET raggiunge la tensione di picco. Se la tensione del gate diminuisce a causa della corrente di dispersione, la pompa di carica si attiva per applicare un impulso di carica, ripristinando la tensione del gate al valore necessario. Ciò è illustrato nella Figura 4 e 5 per due valori esemplificativi della corrente di dispersione al gate: 0,1µA e 1µA. Questa tecnica riduce il consumo di corrente della pompa di carica di un fattore compreso fra 50 e 100 poiché la corrente nello stato On è pari a 200µA ma scende a 2µA nella modalità di sospensione. La seconda tecnica di riduzione della corrente di quiescenza dell’LTC4231 consiste nel campionare la tensione d’ingresso ogni 10ms per determinare se è passata a un valore inferiore alla soglia di sottotensione (UVH) o superiore a quella di sovratensione. Viene fornita una connessione di massa con strobe (GNDSW) per il partitore resistivo esterno della tensione d’ingresso (Figura 6).

Il campionamento periodico riduce il consumo di corrente del partitore resistivo di 50 volte, un fattore uguale al rapporto tra il periodo di campionamento (10ms) e l’intervallo di campionamento (200µs). I comparatori che monitorano i pin UVL, UVH e OV vanno allo stato On durante l’intervallo di campionamento e ciò ne riduce il consumo medio di corrente pure di un fattore 50. Il periodo di campionamento di 10ms è adatto per l’uso con batterie poiché la loro tensione varia lentamente nel corso del tempo. Tuttavia, se la condizione di sottotensione o sovratensione si verifica all’avvio, LTC4231 mantiene i MOSFET allo stato Off per bloccare la tensione fuori limiti affinché non si propaghi sino al carico.

Figura 4: Per ridurre la corrente di quiescenza, l’LTC4231 attiva la pompa di carica periodicamente per ripristinare la tensione del gate del MOSFET come necessario.

 

Figura 5: La velocità di ripristino della tensione del gate del MOSFET è illustrata per due valori esemplificativi della corrente di dispersione al gate (ΔVGATE corrisponde alla tensione da GATE a SOURCE, mentre ICC rappresenta il consumo di corrente dell’LTC4231).

 

Figura 6: La tensione d’ingresso viene monitorata in un intervallo di 200µs ogni 10ms (duty cycle del 2%) per ridurre di 50 volte il consumo della corrente del circuito di monitoraggio della sotto- o sovratensione. Durante l’intervallo di campionamento, GNDSW viene collegato a GND mediante un interruttore da 80Ω interno.

Conclusione

La maggior parte delle applicazioni elettroniche emergenti – sensori wireless, dispositivi di monitoraggio fitness, occhiali per la realtà aumentata, drone, robot – sono alimentate a batteria, per motivi di funzionalità, portabilità e comodità. Le batterie a elevata densità di energia, come quelle agli ioni di litio, hanno portata a conoscenza di tutti il problema della sicurezza delle batterie. Il circuito integrato LTC4231 offre una soluzione a micropotenza semplice, compatta e affidabile per l’inserimento a caldo (hot-plug) e la protezione della batteria, specialmente in applicazioni sensibili al consumo di energia, proteggendo il sistema contro condizioni di scarica profonda della batteria, cortocircuito o sovraccarico all’uscita, sovratensione e connessioni della batteria invertite.

 

A cura di Pinkesh Sachdev Product Marketing Engineer, Mixed Signal Products Linear Technology Corp., parte di Analog Devices

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 28 aprile 2017

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