Nuovo appuntamento con la rubrica Firmware Reload. I progettisti di elettronica portatile sono chiamati a creare dispositivi in grado di fare di tutto, funzionando all’infinito con una sola carica della batteria. Se da un lato è impossibile soddisfare completamente questa esigenza, è anche vero che ogni nuova generazione di batterie si avvicina un pò di più a questo obiettivo. L’uso di batterie ad alta capacità è indispensabile, considerato che i dispositivi moderni sfoggiano grandi schermi tattili, CPU multicore, processori grafici e un assortimento di modem wireless che garantiscono comunicazioni ad alta velocità in qualsiasi punto del pianeta. Per soddisfare questa esigenza i produttori di batterie hanno realizzato celle compatte e leggere, con capacità superiori a 30 wattora.
Introduzione
L’USB è ormai diventato lo standard principale per l’interconnessione, la sincronizzazione e lo scambio di dati tra dispositivi, eppure le sue capacità di alimentazione non sono andate di pari passo con le esigenze in materie di batterie. L’USB 2.0 consente un carico massimo di 2,5 W, mentre l’USB 3.0 arriva a 4,5 W. Anche avendo la massima efficienza e potendo indirizzare tutta l’alimentazione verso la batteria, servirebbe più di una nottata per effettuare un ciclo di carica completo tramite USB. L’USB, che non è adatto per l’alimentazione primaria delle batterie ad alta capacità, è comunque una fonte di alimentazione occasionale, da usare quando e dove possibile, anche per evitare di esaurire la batteria quando il dispositivo è collegato a un computer tradizionale.
Figura 1. Caricabatteria/sistema di power management compatibile con USB, ad alta potenza, con controllo I2C
IL MEGLIO DI ENTRAMBI I MONDI
L’LTC4155 è un caricabatteria di commutazione monolitico che fornisce una corrente di carica di 3,5 A in un PCB footprint compatto. Nella Figura 1 si vedono i componenti necessari per un’applicazione tipica. La frequenza di commutazione a 2,25 MHz consente di utilizzare un piccolo induttore e condensatori di bypass in modo da ridurre al minimo l’ingombro complessivo. L’efficienza elevata (Figura 2) anche con regimi di carica a più ampere serve non solo a utilizzare in modo ottimale la potenza in ingresso, ma anche a tenere sotto controllo la dissipazione di potenza all’interno del dispositivo portatile.
Figura 2. Efficienza del regolatore di commutazione
La combinazione tra una dissipazione di potenza elevata e una resa termica marginale in uno spazio molto ristretto può provocare il surriscaldamento di un dispositivo dotato di una soluzione di carica poco efficiente. In questo caso gli switch di potenza integrati dell’LTC4155 garantiscono una resistenza di ON ben al di sotto dei 100 m. Sebbene gli switch di potenza dell’LTC4155 siano in grado di trattare correnti più elevate di quelle fornite dalla USB, l’LTC4155 è perfettamente compatibile con l’USB per la carica occasionale. La corrente in ingresso viene misurata automaticamente a livello interno e limitata su uno dei 16 valori selezionabili I2C. Tre di queste impostazioni corrispondono ai limiti massimi garantiti di 100 mA e 500 mA per USB 2.0 e di 900 mA per USB 3.0. La limitazione della corrente in ingresso automatica può essere usata anche con gli adattatori AC o altre fonti scegliendo una delle altre impostazioni limite fino a un massimo di 3 A.
L’LTC4155 supporta una corrente in ingresso predefinita all’accensione, programmabile da pin. Nelle applicazioni di potenza maggiore che non necessitano della compatibilità con l’USB, un solo resistore collegato al pin CLPROG1 programma una corrente in ingresso all’accensione predefinita. Il resistore scelto deve essere adatto a un limite di corrente iniziale consono all’applicazione in questione, alla capacità di alimentazione prevista, etc. Dopo l’accensione il limite della corrente in ingresso può essere modificato previo controllo I2C e impostato su uno degli altri valori disponibili, fino a 3 A. Nelle applicazioni USB i pin CLPROG1 e CLPROG2 possono essere collegati tra loro per programmare l’LTC4155 in modo che attivi i limiti di corrente USB. Il limite della corrente in ingresso diventa 100 mA previa applicazione di una potenza esterna. Dopo una verifica con il controller dell’host USB, il limite della corrente in ingresso può essere aumentato, con controllo I2C, a 500 mA o 900 mA, secondo le necessità. Nella Figura 3 si vede la corrente disponibile per il carico di sistema e il caricabatteria. La corrente di uscita del regolatore di commutazione è maggiore della corrente in ingresso limitata dall’USB. Se il sistema rileva che la fonte di alimentazione è un adattatore AC, un caricatore USB dedicato o una sorgente diversa dall’USB, il limite della corrente in ingresso può essere aumentato, con controllo I2C, fino a 3 A.
Figura 3. Corrente di carico compatibile con USB disponibile prima che la batteria si scarichi
GESTIONE CONTINUA DI PIÙ CONNETTORI IN INGRESSO
L’LTC4155 può anche accettare l’alimentazione da due sorgenti, risolvendo il problema di portare in modo intelligente la potenza da due connettori fisici diversi al prodotto. Quando le due fonti di alimentazione sono collegate contemporaneamente, è l’utente a decidere quale utilizzare. Finché ogni tensione in ingresso rimane entro il range operativo valido, se ne può scegliere una qualsiasi, senza preoccuparsi se una è maggiore dell’altra. Questo consente, ad esempio, di favorire un adattatore AC da 4,5 V/2 A piuttosto che una porta USB da 5 V/500 mA. Rimuovendo la connessione USB e collegando un adattatore AC da 5 V/3 A alla stessa porta, la priorità relativa alle fonti di alimentazione può essere modificata mediante I2C in modo da passare a una fonte maggiore. L’LTC4155 supporta limiti della corrente in ingresso programmabili da I2C indipendenti per ognuna delle due alimentazioni in ingresso. In caso di disconnessione della fonte di alimentazione con la priorità più alta, il processo di carica prosegue, con passaggio automatico al limite inferiore di massima corrente. Non è richiesta alcuna attenzione immediata al microcontroller del sistema. A seconda dei componenti esterni scelti per il multiplexer di ingresso, è possibile prevedere facilmente funzioni di protezione dalla sovratensione e dalla tensione inversa fino a ±77 V, se richieste dall’applicazione. Inoltre, l’LTC4155 può produrre, grazie alla tecnologia USB On-The-Go, un’alimentazione limitata a 5 V sulla porta USB senza necessità di componenti aggiuntivi.
AMPIA PROGRAMMABILITÀ E TELEMETRIA PER ALGORITMI DI CARICA AVANZATI
L’LTC4155 fornisce una segnalazione continua dello stato I2C, consentendo al software di sistema di avere una serie di informazioni, tra cui stato delle fonti di alimentazioni in ingresso, guasti, stato del ciclo di carica, temperatura delle batterie e molti altri parametri. I valori di carica principali possono essere modificati sotto controllo I2C in modo da poter utilizzare algoritmi di carica personalizzati. A differenza degli algoritmi di carica basati su microcontroller o di altro tipo programmabile, tutte le impostazioni possibili dell’LTC4155 disponibili con controllo I2C sono intrinsecamente sicure per la batteria. Non è mai possibile programmare una tensione variabile maggiore di 4,2 V o inferiore a 4,05 V. Allo stesso modo, la corrente di carica della batteria può essere programmata su una delle 15 impostazioni disponibili, ma il software non può mai superare il limite previsto dal progettista - mediante un resistore di programmazione adatto alla capacità della batteria e al massimo regime di carica.
I dati relativi alla temperatura servono al software per adattare dinamicamente il comportamento del sistema o del caricatore e gestire angoli operativi estremi. Ad esempio, la tensione variabile e/o la corrente di carica possono essere ridotte sotto controllo I2C per aumentare il margine di sicurezza della batteria in presenza di temperature ambiente elevate. Allo stesso modo la corrente di carica o la corrente di carico di sistema totale può essere ridotta in caso di temperatura elevata per ridurre il calore eccessivo nell’alloggiamento del prodotto. Come per tutti gli altri aspetti relativi alla programmabilità del caricabatteria, l’LTC4155 implementa una soluzione di carica a sicurezza intrinseca senza (o nonostante) un eventuale intervento del software. Il processo di carica viene sempre interrotto quando la temperatura della cella scende al di sotto di 0°C o supera i 40°C. È anche possibile prevedere un interrupt nel caso in cui la temperatura della cella superi i 60°C. La Figura 4 illustra la funzione di trasferimento del convertitore di dati relativi alla temperatura della batteria dell’LTC4155, con evidenziati i limiti della temperatura di chiusura del caricabatteria autonomo.
Figura 4. Funzione di trasferimento del convertitore di dati relativi alla temperatura della batteria dell’LTC4155, con evidenziate le soglie della temperatura di chiusura del caricatore autonomo
FUNZIONAMENTO ‘INSTANT-ON’ POWERPATH
Le batterie scariche possono rappresentare un problema soprattutto nelle architetture di alimentazione tradizionali in cui la maggior parte del prodotto portatile è collegato direttamente alla batteria. Quando la tensione della batteria è troppo bassa per consentire al sistema di funzionare, il prodotto non risponde nemmeno dopo alcuni minuti di collegamento a una fonte di alimentazione, il che può comportare inutili chiamate al servizio assistenza. Il problema peggiora quando la capacità della batteria è superiore alla corrente di carica disponibile (es. un sistema alimentato da USB dotato di una batteria ad alta capacità).
I prodotti Power- Path™ come l’LTC4155 separano il rail di potenza del sistema dalla batteria per consentire il funzionamento ‘instant-on’ e risolvere i due peggiori problemi causati dalle batterie scariche. Il primo problema è che la corrente di carica e il carico di sistema non si distinguono più quando il rail di alimentazione del sistema è collegato direttamente alla batteria. I produttori di batterie raccomandano, in caso di batteria scarica, di ridurre nettamente la corrente di carica iniziale finché la tensione della cella non raggiunge un livello più sicuro. Questa corrente di carica a goccia va programmata a un livello sicuro affinché la batteria assuma una corrente di carico minima o nulla. In secondo luogo, in un sistema a batteria a connessione diretta, in cui il sistema è operativo durante la carica a goccia, una parte significativa della corrente di carica destinata alla batteria viene deviata sul rail di sistema. La corrente di carica della batteria così ridotta prolunga in proporzione il tempo di ripristino. Un carico di sistema piuttosto grande può provocare un’inversione della corrente della batteria di rete che, in questo modo, si scarica ulteriormente. Quando il livello di carica della batteria è basso, il sistema portatile può non essere in grado di rispondere all’utente perché la tensione sul rail di alimentazione non è sufficiente.
La durata di questa mancata reazione viene moltiplicata di almeno un fattore di 10 a causa dell’alimentazione ridotta disponibile per la batteria collegata normalmente e il rail di alimentazione del sistema. Quando la batteria è scarica, l’LTC4155 fornisce 3,5 V al rail del sistema per consentire un avvio immediato. Quando la tensione della batteria aumenta durante la fase di pre-carica, l’LTC4155 passa, in modo continuo e automatico, ad una modalità di efficienza superiore per accelerare il processo di carica e ridurre al minimo la generazione di calore. Nella Figura 5 si vede la tensione disponibile per il rail di alimentazione del sistema come funzione della tensione della batteria. La corrente di carica della batteria dell’LTC4155 viene programmata indipendentemente dal limite della corrente in ingresso per separare i limiti della corrente di carica della batteria dai limiti dell’alimentazione in ingresso. Il limite della corrente in ingresso può essere programmato solo in base ai limiti della potenza in ingresso. Allo stesso modo la corrente di carica della batteria può essere programmata solo in base alla capacità della batteria. L’LTC4155 attua sempre il limite della corrente in ingresso e, se necessario, dà la priorità all’alimentazione del sistema piuttosto che alla carica della batteria.
Figura 5. Tensione VOUT e tensione della batteria
ROBUSTO A DISPETTO DI TUTTE LE SORGENTI NON IDEALI
L’LTC4155 prevede la riduzione automatica della corrente in ingresso quando la tensione in ingresso inizia a scendere a un livello inaccettabile. In presenza di elevati livelli della corrente di carica, questo può accadere quando le connessioni vengono effettuate mediante un cavo sottodimensionato, verso un adattatore sottodimensionato, mediante connettori con una leggera corrosione o in altre condizioni non previste dal normale progetto. Senza intervento la tensione in ingresso dell’IC continuerebbe a scendere, fino ad arrivare al di sotto della soglia di blocco di sotto tensione. A quel punto l’IC si disattiva per consentire il ripristino della tensione in ingresso e il riavvio dell’intero ciclo. L’LTC4155 sfrutta a suo vantaggio una situazione negativa. Quando la tensione in ingresso arriva a 4,3V, l’LTC4155 riduce gradualmente la sua potenza in ingresso fino a raggiungere il valore necessario ad evitare una ulteriore diminuzione della tensione in ingresso. In questa modalità la corrente fornita al carico di sistema e alla batteria è inferiore al valore programmato, ma maggiore di quanto sarebbe se si permettesse alla tensione in ingresso di continuare ad oscillare. L’LTC4155, inoltre, produce una segnalazione di stato mediante I2C e un segnale di interrupt opzionale per avvertire il sistema che l’utente deve adottare una misura correttiva o diagnostica per ripristinare la capacità della corrente di carica massima.
CONCLUSIONI
L’LTC4155 combina corrente elevata ed efficienza con un PCB footprint monolitico, l’ideale per dispositivi portatili dotati di grandi batterie al litio dove lo spazio sulla scheda è scarso e il calore e il tempo di carica rappresentano un problema. Le impostazioni dei limiti della corrente in ingresso compatibili con USB aumentano ulteriormente la versatilità, consentendo ricariche occasionali da più sorgenti di alimentazione inferiori. La telemetria consente al cliente di operare in base a condizioni ambientali e applicative variabili, senza compromettere la sicurezza della batteria autonoma. Il rail di sistema viene alimentato ininterrottamente nonostante alcuni problemi comuni (es. batteria scarica o cavo di alimentazione sottodimensionato resistivo). L’LTC4155 è disponibile in un package QFN-28 da 4 mm × 5 mm.
