Soluzioni USB power per batterie LiPo – Prima Parte

Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. L’impiego di alimentazione USB per ricaricare batterie LiPo (Lithium-Ion Polymer) è divenuto molto diffuso con le moderne apparecchiature portatili. Diversi produttori di circuiti integrati, tra cui Texas Instruments, mettono oggi a disposizione chip e soluzioni adeguate a svolgere in maniera intelligente questa funzione.

L’elettronica è oggi sempre più integrata, sempre più sofisticata e performante perché sempre più sofisticate e performanti devono essere le applicazioni HW e FW implementate a dispetto dell’impatto user-friendly che devono avere sull’utente finale. Nonostante ciò, molti dispositivi di uso comune sono divenuti, per motivi di praticità, sempre più compatti. E’ sufficiente pensare a smartphone, tablet e lettori di e-book per comprendere come queste applicazioni portatili dell’elettronica integrino oggi pesantemente firmware e software che funzionano su piattaforme hardware costruite intorno a veri e propri processori, peraltro sempre più veloci, con clock sempre più elevati e in grado di interagire con l’utente attraverso display sempre più ampi, sempre più touch. Questa evoluzione, iniziata in realtà più di due decenni fa, ha portato via via e in maniera del tutto naturale, alla necessità di disporre di potenze sempre maggiori, eccessive rispetto alle reali capacità delle batterie ricaricabili inizialmente disponibili sul mercato. Ne è scaturito, al fine di rendere sostenibile questo incremento esponenziale di prestazioni e funzionalità, uno sviluppo continuo e costante da un lato di chip e display sempre meno assetati di potenza cioè low-power o ultra low-power e dall’altro di batterie e circuiti di carica delle stesse tecnologicamente nuove, più evolute e sempre più performanti, in grado di garantire densità di energia sempre maggiori a dispetto di dimensioni e pesi sempre più contenuti.

Si tratta di aspetti, quelli legati alle batterie e ai circuiti di carica delle moderne apparecchiature elettroniche portatili, che all’utente comune potrebbero apparire di importanza marginale ma che sono stati e rimangono cruciali per un’operatività accettabile delle stesse apparecchiature e di conseguenza per la loro diffusione sul mercato. I circuiti di carica in queste apparecchiature si sono evoluti negli anni di pari passo con la tecnologia delle batterie ricaricabili divenendo nel tempo circuiti intelligenti di controllo e diagnostica delle stesse batterie. Questa evoluzione ha segnato un passaggio fondamentale alcuni anni fa. A differenza dei dispositivi di vecchia generazione infatti (si pensi per esempio alla vecchia generazione di telefonini cellulari), quelli di nuova generazione (si pensi ai moderni smartphone), sono oggi sempre dotati di connessione USB; è sorta quindi del tutto naturale la necessità di integrare, su queste apparecchiature, circuiti per la carica delle batterie tramite USB (USB power). Oggi esistono diversi produttori di chip pensati appositamente per integrare nelle apparecchiature, specie quelle portatili, questo tipo di circuiti. In questo articolo parleremo dell’argomento prendendo a riferimento alcuni componenti e soluzioni USB power di Texas Instruments pensati, in particolare, per la gestione di batterie ricaricabili agli ioni di litio (LiPo-Lithium-Ion Polymer).

EVOLUZIONE DELLE BATTERIE RICARICABILI

L’evoluzione delle batterie ricaricabili per apparecchiature portatili è passata negli ultimi 15 anni dalle pile Ni-Cd (nichel-cadmio) alle Ni-MH (nichel-metalidruro) e da queste a quelle agli ioni di litio (Li-Ion) prima e ai polimeri di litio (Lithium-Ion Polymer, LiPo) in tempi più recenti. Da un punto di vista tecnico e prestazionale, lo scopo di questa evoluzione, che è da considerare ancora in atto, è stato quello di migliorare una serie di parametri prestazionali delle batterie come il rapporto energia/peso, il rapporto energia/volume, l’efficienza di carica/scarica, il rapporto energia/prezzo, il tempo e i cicli di vita e la velocità di scarica al fine di rendere le batterie stesse adeguate ad applicazioni sempre più “assetate” di energia. In realtà, anche altri aspetti apparentemente meno importanti si sono rivelati spesso cruciali in questo ambito nel determinare l’affermazione di una nuova tecnologia a scapito della precedente; è il caso, per esempio, della possibilità, in base alla tecnologia realizzativa, di poter dare alla batteria la forma voluta (cosa che facilita enormemente la progettazione ed il design dell’apparecchiatura che ne farà uso). Non meno importanti, nell’affermazione di batterie di nuova tecnologia, sono inoltre considerazioni di sicurezza, nel senso che la batteria non deve comportare per l’utente un potenziale rischio (si pensi all’intrinseco pericolo di esplosione che una batteria non utilizzata correttamente può comportare o all’impiego per la sua costruzione di materiali infiammabili). Ne consegue che la tecnologia realizzativa di una batteria porta con sé una molteplicità di aspetti che ne possono determinare l’affermazione o meno. I circuiti stessi di carica e scarica integrati nelle apparecchiature devono e finiscono evidentemente per essere progettati di conseguenza.

DALLE PILE AGLI IONI DI LITIO A QUELLE AI POLIMERI DI LITIO

Le batterie ricaricabili litio-polimero, dette anche batterie litio-ionepolimero (Lithium-Ion Polymer abbreviato Li-Poly o LiPo) rappresentano uno sviluppo tecnologico dell’accumulatore litio-ione anche detto agli ioni di litio (Li-Ion). L’elettrolita in sale di litio non è contenuto in un solvente organico, come nel litio-ione, ma in un polimero solido non infiammabile (a differenza del solvente organico utilizzato dalle celle Li-Ion). Quest’ultima caratteristica tende a migliorare la sicurezza di impiego a tutto vantaggio dell’utente in considerazione del fatto che una qualunque apparecchiatura di uso comune deve essere pensata per un utente privo di qualunque esperienza. Mentre il contenitore di una cella agli ioni di litio è rigido al fine di pressare reciprocamente gli elettrodi ed il separatore, quello di una cella ai polimeri di litio non presenta questa caratteristica essendo i “fogli” di elettrodo e quelli del separatore laminati ciascuno sull’altro. Ciò contribuisce a eliminare qualunque contenitore di metallo e di conseguenza a ridurre il peso e a sagomare con più facilità la forma stessa della batteria a tutto vantaggio di un design dell’apparecchiatura che ne deve fare uso non solo più funzionale ma anche più accattivante agli occhi dell’utente e quindi del mercato.

Si pensi a quanto questo possa essere vantaggioso per i costruttori di telefoni cellulari che possono in tal modo, con più facilità, costruire telefoni sempre più piccoli, sottili e leggeri. Le batterie in polimero litio-ione utilizzate originariamente in ambito militare sono in realtà apparse nel commercio destinato all‘elettronica di consumo già nella seconda metà degli anni novanta. La tecnologia e gli aspetti realizzativi che le caratterizzano portano ad ottenere densità di energia maggiori del 20% circa rispetto a quella delle batterie Litio-Ione e di circa tre volte rispetto alle batterie NiCd e NiMH. Come tutti gli accumulatori, devono essere utilizzate in maniera opportuna. La tensione della cella Li-Poly varia da circa 2,7 V (scarica) a circa 4,23 V (piena carica). Esse devono essere protette dall’eccesso di carica (limitando la tensione applicata a non più di 4,235 V) e dall’eccesso di scarica. Le LiPo sono cioè batterie performanti ma delicate e per questo necessitano di circuiti di controllo dei cicli di carica e scarica che consentano di garantirne un adeguato e vantaggioso ciclo di vita.

BATTERIE AI POLIMERI DI LITIO E RICARICA VIA USB

Le batterie ai polimeri di Litio sono accumulatori ricaricabili a elevate prestazioni e a elevata densità di energia ma necessitano di accortezze sia durante il ciclo di carica che durante quello di scarica. Come già detto, l’impiego di alimentazione USB per ricaricare batterie ai polimeri di litio nell’ambito delle applicazioni elettroniche portatili è diventato negli ultimi anni abbastanza diffuso. Ciò ha comportato la necessità di disporre di circuiti adeguati di controllo dei cicli di carica e scarica. Diversi produttori di circuiti integrati hanno reso disponibili componenti pensati per l’implementazione di questi circuiti. Tra questi, figura Texas Instruments che ha sviluppato e messo sul mercato chip per l’implementazione di circuiti e soluzioni per il controllo dei cicli di carica (via USB) e scarica delle batterie. La disponibilità di tool di sviluppo e librerie software e firmware messe a disposizione da Texas Instruments per i suoi microcontroller consente di integrare facilmente tali circuiti e di interfacciarli via USB con un comune PC.

IMPLEMENTAZIONE CIRCUITALE ATTRAVERSO IMPIEGO DEL CONTROLLER MSP430 E DEL BATTERY CHARGER BQ24230

Di seguito vedremo come sia possibile implementare un caricatore intelligente USB power per batterie LiPo, attraverso l’impiego di un controller come l’MSP430F6638 (o più in generale MSP430), un regolatore TPS63030 e il chip BQ27410 utile alla diagnostica della stessa batteria. Il circuito può essere modificato a seconda del numero di celle che compongono la batteria e della capacità complessiva della stessa. In linea di massima, l’implementazione mostrata è certamente adeguata per la gestione di una batteria LiPo con tensione nominale di 3.7 V e capacità di 300-mAh [1]. Al fine di comprendere l’implementazione e il funzionamento del circuito è opportuno fare, almeno inizialmente, riferimento a uno schema generale semplificato a blocchi come quello di Figura 1. Il circuito si compone di tre principali moduli: Battery charger (chip BQ24230); Regolatore che interfaccia il circuito esterno da alimentare (chip TPS63030); Controller MSP430 dotato di interfaccia USB per la gestione dell’applicazione stessa. A questi moduli si aggiunge la cella ricaricabile fisicamente connessa al battery charger. Questo è a sua volta connesso sia al regolatore che alla porta USB da cui viene attinta l’energia per il caricamento della batteria e più in generale per il funzionamento dell’intero circuito. Di seguito analizziamo un pò più in dettaglio le singole sezioni componenti il circuito.

Figura 1: Schema a blocchi di un Battery Charger basato sull’impiego dei chip BQ24230, TPS63030 ed il controller MSP430 di Texas Instruments [1]

IL CIRCUITO DI CARICA (BATTERY CHARGER) BQ24230

Il BQ24230 è un chip low-power per la carica di batterie agli ioni di litio [2]. Esso svolge il ruolo di battery-charger e consentendo l’alimentazione dell’intero circuito attraverso la batteria nel caso in cui la sorgente di alimentazione USB non sia disponibile. Questa operazione è controllata dal controller MSP430 attraverso la linea di abilitazione CE (Charge Enable) del chip BQ24230. Portando CE allo stato basso o alto l’operazione di carica della batteria attraverso USB è abilitata o disabilitata. Quando è disponibile tensione sulla porta USB, il circuito di carica utilizza l’alimentazione USB per fornire tensione regolata a 4.4 V in uscita, indipendentemente dal fatto che la batteria sia o meno collegata al circuito. Quando l’alimentazione USB non è invece disponibile, il chip BQ24230 commuta verso l’uscita la tensione della batteria consentendo all’intero circuito di rimanere alimentato e quindi attivo. In Tabella 1 sono schematizzate le diverse condizioni operative di funzionamento del circuito legate alla presenza/assenza di tensione USB e allo stato dei pin di controllo CE ed EN1/EN2 del chip BQ24230 che vengono controllati direttamente da altrettante linee di uscita del controller.

Tabella 1: Stati di funzionamento del battery-charger BQ24230 [1]

Se il chip BQ24230 è messo in stand-by, la carica della batteria viene inibita. Questa condizione si ottiene imponendo EN1=EN2=HIGH e corrisponde alla condizione indicata in Tabella 1 come “Suspend Mode” nella quale dalla porta USB viene assorbita una corrente praticamente nulla (inferiore a 500uA). Ovviamente, riportando a livello basso i pin EN1 ed EN2, il circuito esce dalla condizione di stand-by. Il controllo del solo pin CE consente l’abilitazione/disabilitazione dell’operazione di carica della batteria (quando il pin CE è portato a livello alto, l’azione di carica è disabilitata mentre quando è portato a livello basso è abilitata). Quanto detto mostra chiaramente come l’attuatore delle operazioni di carica della cella sia costituito da questo chip mentre il controller pilotandolo rappresenta la parte intelligente dell’applicazione. La serie di chip BQ2423x è più in generale una famiglia di charger lineari per batterie Li-Ion che possono essere utilizzati sia connessi alla tensione disponibile su USB che connessi a quella resa disponibile da un AC adapter garantendo comunque una corrente compresa tra 25 e 500 mA. L’ampio range di ingresso (fino a 28V) e il fatto di accettare anche tensioni non regolate, lo rendono adatto a numerose applicazioni. Il chip, come si osserva dalla sua configurazione interna, alimenta simultaneamente sia il carico che la batteria (Figura 2).

Figura 2: Chip BQ24230 utilizzato in modalità stand alone e relativo pinout (top-view) [3]

La Figura 2 mostra una configurazione del chip in cui lo stesso è utilizzato in maniera stand alone cioè senza necessitare di alcun controller. Esso può tuttavia anche essere controllato e quindi abilitato da un controller che ne pilota le linee di controllo CE ed EN1/EN2 (Figura 3). Quando il circuito è collegato a un host USB riceve 5 V tramite la connessione stessa (VBUS). Se il circuito è permanentemente collegato all’host USB non vi è in realtà necessità di disporre di una sorgente locale di energia cioè di una batteria. In altri casi, cioè quando l’host USB non è connesso stabilmente ma viene collegato e scollegato a seconda delle situazioni operative, il circuito deve disporre di una propria alimentazione locale cioè di una batteria. Di conseguenza, quando c’è connessione USB il circuito attinge potenza dal dispositivo Host, mentre quando l’host viene disconnesso o spento, la potenza viene attinta dalla batteria.

Figura 3: Chip BQ24230 utilizzato in modalità non stand alone (gestito cioè in maniera intelligente da un controller esterno) [3]

REGOLATORE TPS63030

Oltre al battery-charger un circuito come quello di Figura 1 necessita di un regolatore di tensione. Il TPS63030 è un convertitore ad alta efficienza a singolo induttore [3] con uscita a 3,3-V utilizzato, in questo caso, al posto di quello che normalmente sarebbe un regolatore a basso drop-out (LDO). Esso è l’elemento che di fatto garantisce una tensione stabile pari a 3,3 V in uscita sul carico e sul controller indipendentemente dalla tensione di uscita del circuito caricatore (battery-charger) che tipicamente fornisce alla sua uscita tensione pari a circa 4,4 V quando è alimentato dall’USB e compresa tra 4,2 V e 3,0 V quando è disconnesso dalla porta USB. Il circuito può ovviamente essere modificato. In particolare, nel caso in cui è sufficiente fornire al carico una tensione di 3,0 V è possibile utilizzare allo scopo un meno costoso LDO. Il converter TPS63030 è in ogni caso adeguato alla funzione svolta trattandosi di un converter ad alta efficienza (fino al 96 %) in grado di fornire fino a 800 mA di corrente in uscita a 3,3 V funzionando in step-down (con Vin compresa tra 3,6 V e 5,5 V) e 500 mA a 3,3 V funzionando in boost mode con tensione di ingresso maggiore di 2,4 V (anche se più in generale è in grado di accettare tensione in ingresso compresa tra 1,8 V e 5,5 V e fornire in uscita tensione impostabile nel range 1,2 V…5,5 V). In questa applicazione, il chip è utilizzato in un circuito che impiega una cella LiPo ma può essere utilizzato anche in circuiti che impiegano batterie ricaricabili NiCd, NiMH o agli ioni di litio. Come è tipico di un regolatore, la tensione stabilizzata in uscita è garantita entro determinati limiti di corrente di carico come l’esempio di caratteristica Io-Vo di Figura 4 mostra chiaramente.

Figura 4: Impiego tipico del regolatore TPS63031 utilizzato per tensione di uscita Vout=3,3V e tipica caratteristica Iout-Vout [4]

Fissato il rapporto tra le resistenze R1 ed R2 (Figura 5), rimane fissato anche il rapporto tra Vout e Vfb dove FB indica il pin di feedback.

Figura 5: Tipica applicazione dei chip regolatori della serie TPS6303X in configurazione per tensione di uscita regolabile (si noti il percorso di feedback in uscita realizzato attraverso il percorso costituito dalle resistenze R1 ed R2) [4]

Per maggiori dettagli sul dimensionamento circuitale del regolatore e sulla funzione dei singoli pin si rimanda al documento [4] che ne riporta, tra le altre cose, la struttura a blocchi funzionale interna, da cui se ne deduce con più facilità il funzionamento. La Tabella 2 riporta i consumi tipici di ciascun blocco componente il sistema battery charger-regolatore in diverse condizioni di funzionamento.