Gestire batterie Li-Ion

In questo articolo analizziamo caratteristiche e funzionalità del controller MCP73871 di Microchip.

Praticamente tutti i sistemi portatili utilizzano oggi batterie agli ioni di litio o litio-polimeri. L’incremento di prestazioni richiesto e la crescente disponibilità di funzionalità accessorie hanno, tuttavia, modificato radicalmente i modi di utilizzo delle batterie in tale ambito, accrescendo il numero di cicli di carica a cui queste sono tipicamente soggette durante l’arco di vita utile e il tempo stesso di funzionamento dei dispositivi in alimentazione da rete. Nei sistemi più semplici, in passato, la batteria era connessa direttamente al carico, il che poneva diversi problemi per la gestione dei processi di carica e scarica. In tale configurazione, ad esempio, il carico assorbe energia costantemente dalla batteria anche quando la tensione di rete primaria è presente. Ciò, oltre a scaricare la batteria anche quando non ve ne sarebbe motivo, rende difficile terminare propriamente il processo di carica, che finisce per essere interrotto principalmente a seguito dell’intervento di un safety timer, impostato per la protezione della cella da sovraccarica. L'MCP73871 di Microchip è un dispositivo monolitico per applicazioni di battery management che aiuta a risolvere molti dei problemi appena descritti. La Figura 1 mostra lo schema di una tipica applicazione basata su di esso. Il dispositivo è integrato in package QFN a 20 pin (di dimensioni 4 x 4 mm2) e qualificato per operare nell’intero intervallo di temperatura compreso tra - 40 °C e + 85 °C.

Figura 1: schema applicativo tipico del MCP73871.

Figura 1: schema applicativo tipico dell'MCP73871

ALIMENTAZIONE DA RETE O PORTA USB

Il dispositivo dispone di ingresso di alimentazione primaria (IN) che può essere connesso a una linea di rete o a una porta USB. Un pin di selezione (SEL) consente di specificare il tipo di alimentazione correntemente connesso. Un secondo ingresso (VBAT) è, invece, connesso alla batteria; è raccomandato l’utilizzo di un opportuno condensatore ceramico a bassa ESR ed ESL in parallelo alla batteria per migliorare la stabilità del sistema nei casi di disconnessione della stessa. Tale condensatore di filtro (tipicamente del valore di 4.7 uF) compensa la natura induttiva del pacco batteria durante la fase di carica a tensione costante e fornisce compensazione quando la stessa cella non è presente. Il sistema alimenta il carico dalla batteria quando la tensione primaria non è presente e attraverso il pin VBAT carica le celle ove necessario. Nel progettare il proprio circuito, si tenga presente che la tensione primaria in alimentazione da rete deve essere compresa tra (VBATT + 300 mV) e 6 V; il dispositivo ha in questa configurazione una capacità di corrente massima fino a 1.8 A, inclusa la corrente di carica delle celle. In alimentazione da porta USB, invece, l'MCP73871 è progettato per rispettare i limiti imposti dallo standard; è possibile specificare mediante pin di controllo (PROG2) una limitazione a 100 mA o 500 mA. È presente un circuito di limitazione della corrente (Input Current Limit Control) di ingresso che previene problemi di overcurrent. Ove possibile, il circuito assorbe direttamente dalla batteria la potenza addizionale richiesta dal carico. In fase di carica tiene conto, invece, anche della potenza erogata alla batteria nel definire le condizioni di intervento.

IL PROCESSO DI CARICA DELLA BATTERIA E LA FUNZIONALITÀ DI AUTO-RECHARGE

La carica della batteria avviene, come mostrato nella Figura 2, attraverso le tre successive fasi di: precondition, constant current charge, constant voltage charge. Opportuni ingressi di controllo (PROG1 e PROG3) consentono di definire, medianti resistori esterni connessi tra i rispettivi pin e massa, il valore della corrente di carica utilizzata nella seconda fase e la soglia che determina la fine del processo di carica a tensione costante. Oltre che per tale condizione, la carica può essere arrestata automaticamente anche per il raggiungimento del termine prefissato di un safety timer interno utilizzato, quindi, per definire una durata massima del processo di carica; la funzionalità può comunque essere disabilitata pilotando a "1" un opportuno ingresso di controllo digitale (TE) del componente. L'MCP73871 è disponibile nelle diverse versioni con tempo massimo di carica di 4, 6 o 8 ore. Nella fase di preconditioning, la carica avviene con corrente di intensità pari al 10% di quella impostata per la fase di constant current charge. Per quanto concerne, invece, la tensione di carica nell’ultima fase, l'MCP73871 è disponibile nelle diverse versioni a 4.10 V, 4.20 V, 4.35 V o 4.40 V. L’intero processo di carica inizia quando la tensione di batteria è inferiore a una tensione di soglia VPTH con un ritardo tipicamente di 10 ms. Esso riprende automaticamente, inoltre, nella fase di constant voltage quando la tensione di batteria scende di oltre 150 mV al di sotto della tensione costante di carica; in questo modo si riesce a mantenere la batteria in uno stato di carica ottimale riducendo il numero complessivo di cicli completi di carica e scarica, che, come noto, è uno di parametri che riduce il tempo di vita delle celle. In ogni caso, la carica può espressamente essere disabilitata forzando a massa il segnale CE (Charge Enable). Lo stato di carica della batteria è segnalato mediante uscite logiche open-drain (STAT1 e STAT2). L’uscita STAT1 ha pure funzionalità di LBO (Low Battery Out), a indicare un livello di tensione basso per la batteria.

Figura 2: caratteristiche di carica del MCP73871. Il processo completo (a sinistra) e la fase di preconditioning (a destra) per una cella Li-Ion da 1 Ah

Figura 2: caratteristiche di carica dell'MCP73871. Il processo completo (a sinistra) e la fase di preconditioning (a destra) per una cella Li-Ion da 1 Ah

USCITA NON REGOLATA E CONTROLLO VPCC

L’uscita non è regolata; è, quindi, necessario un convertitore DC/DC esterno adeguato alla propria applicazione per derivare dalla tensione erogata i livelli richiesti. L'MCP73871 supporta agevolmente convertitori DC/DC delle più tipiche tipologie, di tipo LDO, buck o boost. Tuttavia, è disponibile una funzionalità di tipo Voltage Proportional Charge Control (VPCC) che permette di definire un livello costante in uscita anche in presenza di drop sulla linea di ingresso; in questo caso deve, ovviamente, intervenire la batteria per assicurare la potenza richiesta dal carico. Il circuito prevede per questo un pin dedicato, denominato VPCC (alimentato mediante un divisore di tensione connesso a IN), monitorato costantemente rispetto a una soglia interna di 1.23 V. Quando l’ingresso scende al di sotto della soglia, il processo di carica della batteria, se in corso, viene arrestato e la batteria viene usata per erogare la corrente richiesta per compensare il drop sulla linea di ingresso. La funzione non è necessaria e può essere disabilitata connettendo VPCC direttamente alla tensione di ingresso. In effetti, come anche altre delle caratteristiche dell'MCP73871, la funzione serve in definitiva ad assicurare il corretto funzionamento del sistema in varie condizioni non nominali. Allo stesso modo, ad esempio, l'MCP73871 dispone di capacità di controllo integrata che consente l’avvio del sistema anche in presenza di batteria completamente scarica.

MONITORAGGIO DELLA TEMPERATURA E SHUT-DOWN

L'MCP73871 dispone di circuito di monitoraggio della temperatura di batteria. Integra un generatore di corrente interno a 50 uA in grado di pilotare tradizionali termistori PTC o NTC connessi tra i pin THERM e VSS. Quando la tensione è al di fuori delle soglie programmate in fabbrica, di 1.24 V e 0.25 V, il sistema interrompe il processo di carica scollegando il pass transistor sull’uscita e arrestando il timer; il processo viene automaticamente ripreso una volta ristabilite le corrette condizioni di temperatura. Le soglie effettive di intervento possono essere modificate aggiungendo due resistori, uno in serie ed uno in parallelo al termistore. Consultare l’Application Note citata nei riferimenti [2] per maggiori informazioni sul dimensionamento di tali resistori. Oltre al monitoraggio della temperatura di cella, l'MCP73871 dispone di funzionalità di auto shut-down di protezione nel caso in cui la temperatura di die superi 150 °C; il dispositivo riprende a funzionare quando tale temperatura si riduce a 10 °C. L'MCP73871 presenta un pad termico EP; si tenga presente che questo è internamente connesso elettricamente a VSS. Se lo stesso PCB è utilizzato come heat-sink, inoltre, potrebbe risultate utile, per dissipare correttamente la potenza in eccesso, aggiungere una serie di vias sul pad termico di connessione. La condizione peggiore per quanto concerne la dissipazione di potenza, si ha nella transizione tra la fase di preconditioning e quella di costant current charge, quando i valori di tensione e corrente di uscita sono entrambi massimi. L'MCP73871 è forzato in shut-down automaticamente anche in due altre condizioni, ovvero quando la tensione di ingresso è inferiore alla soglia UVLO oppure quando è più bassa di 100 mV della tensione di batteria. In questi casi, la corrente di scarica inversa della batteria è inferiore a 2 μA. Lo stato della tensione di ingresso è segnalato dalla linea open-drain PG (Power Good).

UNA SCHEDA DI VALUTAZIONE

In definitiva, l'MCP73871 è un interessante circuito monolitico per applicazioni di gestione di batteria in sistemi portatili. Microchip rende disponibile una scheda di valutazione (Figura 3) che consente di provarne le diverse caratteristiche e funzionalità.

Figura 3: microchip rende disponibile una scheda di valutazione per il MCP73871

Figura 3: Microchip rende disponibile una scheda di valutazione per  l'MCP73871

 

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