Alle batterie LiFePO^4 ad alta capacità servono caricatori ad alta potenza

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Il settore dell’assistenza sanitaria si orienta sempre più verso l’uso di sistemi di monitoraggio remoti installati nell’abitazione del paziente. Il motivo è evidente: i costi del ricovero in ospedale sono proibitivi. Molti di questi sistemi di monitoraggio elettronici portatili sono dotati di trasmettitori RF che consentono di inviare i dati direttamente a un sistema di controllo in ospedale che provvede ad analizzarli. Solitamente questi tipi di sistemi sono alimentati mediante una rete a corrente alternata, a batteria o con entrambe. Questa ridondanza serve a garantire il funzionamento anche in caso di utilizzo degli apparecchi fuori sede. Molti dei più recenti progressi in materia di dispositivi diagnostici portatili (es. come quelli utilizzati dai medici e dal personale infermieristico) sono dotati di una batteria che funge da fonte di alimentazione principale o da riserva in caso di interruzione dell’alimentazione di rete. Questi tipi di sistemi hanno bisogno di un circuito efficiente per caricare le batterie.

Oltre alle apparecchiature medicali, altri dispositivi richiedono l’uso di batterie a cella singola ad alta capacità per ridurre il fattore di forma e il peso: ad esempio, terminali bancari portatili, tablet rinforzati, dispositivi di controllo delle scorte e lettori di codici a barre. Le celle al litio continuano ad essere le più utilizzate. Tuttavia caricare queste batterie in modo rapido, preciso e sicuro non è cosa da poco. Inoltre sul mercato continuano ad arrivare nuove combinazioni chimiche anodo/catodo a base di litio. Così in molte applicazioni sono comparse le celle LiFePO₄ (litio-ferro-fosfato) che offrono una sicurezza maggiore e un ciclo di vita più lungo rispetto alle celle agli ioni di litio/polimeri a base di cobalto. Questa struttura chimica offre molti dei vantaggi delle celle agli ioni di litio/polimeri a base di cobalto, tra cui una lenta auto-scarica e un peso relativamente contenuto. In confronto le LiFePO₄ offrono, oltre a una sicurezza maggiore (grazie alla resistenza all’instabilità termica) e un ciclo di vita più lungo, una potenza nominale di picco superiore e un minore impatto ambientale. Spesso le applicazioni medicali e industriali accettano di buon grado la minore densità di energia volumetrica delle celle LiFePO₄ per ottenere una sicurezza e un ciclo di vita migliori. Le applicazioni di back-up hanno bisogno di un ciclo di vita migliore e spesso sfruttano la capacità di scarica a correnti elevate.

Come ottenere più potenza
L’architettura di alimentazione di molti dispositivi industriali o medicali portatili assomiglia spesso a quella di uno smartphone con schermo grande. Normalmente la batteria agli ioni di litio da 3,7 V (4,2 V carica finale o tensione “flottante”) veniva usata come fonte di alimentazione primaria per la sua elevata densità di energia gravimetrica (Wh/kg) e volumetrica (Wh/m³). In passato molti dispositivi ad alta potenza usavano una batteria agli ioni di litio da 7,4 V (tensione flottante 8,4 V) a 2 celle per soddisfare le esigenze di alimentazione, ma la disponibilità di IC di gestione dell’alimentazione da 5V poco costosi ha fatto sì che un numero sempre maggiore di dispositivi portatili si orientasse verso un’architettura di alimentazione inferiore che consentiva l’uso di una batteria al litio a cella singola. Un tipico dispositivo medicale o industriale portatile prevede importanti funzioni e uno schermo molto grande (per un dispositivo portatile). In caso di utilizzo di una batteria da 3,7 V, la capacità deve essere misurata in migliaia di milliampere-ora. Per caricare una batteria di questo tipo in poche ore servono molti ampere di corrente di carica.

Questa corrente di carica elevata, però, non impedisce agli utenti di chiedere anche di poter caricare i propri dispositivi ad alta potenza da una porta USB qualora non fosse disponibile un adattatore di rete ad alta corrente. Per soddisfare queste esigenze il caricabatteria deve essere in grado di caricare a una corrente elevata (>2 A) quando è disponibile un adattatore di rete, ma anche di sfruttare il range 2,5 W - 4,5 W della porta USB. Inoltre il prodotto deve proteggere i componenti a bassa tensione a valle da eventi di sovratensione potenzialmente dannosi e dirigere con efficacia le correnti elevate verso il carico da una porta USB, un adattatore o dalla batteria, in modo da ridurre al minimo la potenza persa sotto forma di calore. Allo stesso tempo l’IC deve gestire l’algoritmo di carica e monitorare i parametri di sistema principali.

La tensione flottante inferiore di 3,6 V delle batterie al litio-ferro-fosfato impedisce l’uso di un caricatore standard per batterie agli ioni di litio. Una carica inadeguata può causare danni irreparabili alla cella, mentre una carica precisa a tensione flottante ne prolunga la vita. Tra i vantaggi offerti dalle celle LiFePO₄ rispetto alle celle agli ioni di litio a base di cobalto figurano una bassa densità di energia volumetrica (capacità per unità di volume) e la predisposizione a guastarsi prematuramente se le nuove celle sono scaricate e ricaricate troppo presto.

Fig. 1 – Tipico circuito applicativo dell’LTC4156

Riepilogo dei limiti di progettazione principali:
•  alle batterie ad alta capacità servono correnti di carica elevate e molta efficienza
• comodità della carica da porta USB per molte applicazioni portatili (es. industriali e medicali)
• per quanto riguarda la carica, le celle al litio-ferro-fosfato richiedono una tensione flottante inferiore, ma offrono alcuni vantaggi rispetto alle celle agli ioni di litio

Per soddisfare i limiti sopra citati, l’IC deve essere compatto e monolitico, in grado di gestire grandi batterie a cella singola in modo rapido ed efficiente ed essere compatibile con le moderne strutture chimiche (es. LiFePO₄). Un tale dispositivo deve fungere da catalizzatore per favorire la massima diffusione di prodotti industriali e medicali a batteria ad alta capacità.

Soluzione dei problemi di alimentazione dei portatili a cella singola
Se pensate che sia impossibile trovare le caratteristiche sopra descritte in un unico circuito integrato, provate a pensare all’LTC4156. Seguendo le orme del famoso LTC4155 per ioni di litio, l’LTC4156 è un “PowerPath manager” ad alta potenza ed elevata efficienza, dotato di interfaccia I2C, un controller di diodo ideale e un caricabatterie LiFePO4 (litio-ferro-fosfato) per applicazioni portatili a cella singola (es. dispositivi portatili medicali e industriali, dispositivi di backup e applicazioni a batteria ad alta densità di energia). Il circuito integrato è progettato per erogare potenza fino a 15 W da fonti diverse, minimizzandone la dissipazione di potenza con un evidente miglioramento del bilancio termico. La topologia switching del PowerPath controller dell’LTC4156, gestisce totalmente senza interruzioni il trasferimento di potenza da due fonti in ingresso, come un adattatore di rete e una porta USB, alla batteria litio-ferro-fosfato ricaricabile, benché eroghi preferibilmente potenza al carico, quando l’alimentazione in ingresso è limitata (Fig. 1).

Conservando la potenza, l’LTC4156 consente alla corrente di carico in uscita di superare la corrente in entrata sull’ingresso di alimentazione, rendendo più efficiente l’utilizzo della potenza disponibile per il caricamento della batteria, senza superare i limiti di potenza in ingresso specificati. Se per l’alimentazione si usa, ad esempio,
un adattatore di rete da 5 V/2 A, il regolatore di commutazione dell’IC trasferisce con efficienza oltre l’85% dei 10 W disponibili, supportando una corrente di carica fino a ~2,4 A per completare il caricamento in minor tempo. Diversamente dai comuni caricabatteria a commutazione, l’LTC4156 ha un funzionamento ‘instant-on’ che assicura l’alimentazione al sistema con il semplice plug-in anche quando la batteria è completamente scarica. Con il supporto della tecnologia USB OTG (On-the-Go) sono inoltre disponibili 5V di tensione di riserva sulla porta USB senza necessità di componenti aggiuntivi.

Il caricabatteria autonomo dell’LTC4156, dotato di funzionalità complete e specifico per la carica di batterie litio-ferro-fosfato a cella singola, fornisce una corrente di carica fino a 3,5 A con 15 impostazioni della corrente di carica selezionabili dall’utente. Il caricatore prevede la funzione di ricarica automatica, rilevamento delle celle guaste, timer di sicurezza programmabile, ingresso termistore per la carica in base alla temperatura, indicatore/terminazione di fine carica programmabile e generazione di interrupt programmabile. L’LTC4156 è disponibile in un package QFN-28 da 4 x 5 mm a basso profilo (0,75 mm) ed è garantito per il funzionamento a temperature comprese tra -40 °C e 125 °C.

Efficiente regolatore di commutazione interno
Rispetto ai tipici caricatori in modalità lineare, il regolatore switching LTC4156 opera come un trasformatore, consentendo alla corrente di carico su VOUT di superare la corrente ricavata dall’ingresso e utilizzando meglio la potenza disponibile per caricare la batteria. L’esempio descritto mostra in che modo l’LTC4156 può eseguire una carica efficiente fino a 3,5 A e completarla in minor tempo. A differenza dei comuni caricabatteria a commutazione, l’LTC4156 ha un funzionamento ‘instant-on’ che assicura l’alimentazione al sistema con il semplice plug-in anche quando la batteria è completamente scarica (Fig. 2).

Fig. 2 – Efficienza dell’LTC4156 su VOUT vs. curva della corrente di carico

Maggiore sicurezza per le batterie
La sicurezza è un aspetto importante quando si carica una batteria a una velocità elevata. L’LTC4156 interrompe automaticamente la carica quando la temperatura della batteria scende sotto 0 °C o supera i 60 °C (misurazione effettuata da un termistore NTC esterno). Oltre a questa funzione autonoma, l’LTC4156 offre un convertitore analogico-digitale (ADC) a scala espansa a 7 bit per monitorare la temperatura della batteria con una risoluzione di 1 °C circa (Fig. 3). In combinazione con le 4 impostazioni della tensione flottante e le 15 impostazioni della corrente di carica della batteria, questo ADC può essere usato per creare algoritmi di carica personalizzati, basati sulla temperatura della batteria.

Una semplice porta I2C a 2 fili fornisce l’accesso ai risultati dell’ADC del NTC, consentendo la regolazione delle impostazioni relative alla corrente e alla tensione di carica. Il bus di comunicazione consente all’LTC4156 di indicare altre informazioni di stato, tra cui stato dell’alimentazione in ingresso, del caricatore e dei guasti. Con il supporto della tecnologia USB OTG (On-the-Go) sono inoltre disponibili 5 V di tensioni di riserva sulla porta USB senza necessità di componenti aggiuntivi.

La gestione di due ingressi (es. USB e adattatore di rete) è sufficiente per molte applicazioni portatili (es. tablet o lettori di codici a barre industriali). Eppure i progettisti di dispositivi portatili continuano a cercare modi per caricare la batteria da qualsiasi fonte disponibile. Il multiplexer di priorità a doppio ingresso dell’LTC4156 seleziona in modo autonomo l’ingresso più adatto (adattatore o USB) in base a una priorità definita dall’utente (quella predefinita va all’ingresso dell’adattatore). Il circuito di protezione contro le sovratensioni (OVP) protegge contemporaneamente i due ingressi dai possibili danni causati dall’applicazione accidentale di alta tensione e tensione inversa. Il controller a diodo ideale dell’LTC4156 garantisce a VOUT ampia disponibilità di potenza anche quando l’alimentazione in ingresso è insufficiente o assente. Per ridurre al minimo l’esaurimento della batteria quando il dispositivo è collegato a una porta USB sospesa, un LDO da V_BUS a V_OUT fornisce all’applicazione la corrente di sospensione USB adeguata. Per eliminare l’esaurimento della batteria tra la produzione e la vendita, la funzionalità ‘ship-and-store’ riduce la corrente di standby di una batteria già bassa, quasi a zero.

Infine l’LTC4156 è completamente compatibile a livello di pin e componenti con l’LTC4155 nella versione per batterie agli ioni di litio, il che consente di cambiare anche all’ultimo minuto la struttura chimica della cella senza bisogno di rivedere completamente la scheda.

Fig. 3 – ADC con termistore a 7 bit che mostra i valori di intervento reimpostati in caso di max/min temperatura dell’LTC4156

Il lavoro del progettista che sviluppa dispositivi portatili industriali e medicali moderni è molto impegnativo, soprattutto per quanto riguarda l’alimentazione. Le aziende chiedono funzioni che consumano più energia e, di conseguenza, batterie più grandi. Per questo è consigliabile che tali batterie possano essere caricate usando tutte le fonte disponibili. Le celle LiFePO₄ si stanno diffondendo sempre più per le loro caratteristiche: sicurezza intrinseca, tensione flottante bassa, ciclo di vita più lungo, bassa velocità di autoscarica e peso relativamente contenuto. Ma, come tutte le altre batterie ricaricabili, vanno trattate con molta cura. Nonostante i problemi di progettazione posti da queste richieste, l’LTC4156 riesce a facilitare molto il lavoro. Nei sistemi a bassa tensione l’LTC4156 fornisce fino a 3,5A di corrente di carica e offre prestazioni elevate e numerose funzioni di sicurezza.

Trevor Barcelo, Product Line manager, Battery Management e Steve Knoth, Senior Product marketing Engineer, Power Products Group di Linear Technology Corporation

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