I caricabatteria a commutazione vengono scelti molto spesso grazie alla flessibilità della loro topologia, alla possibilità di caricare batterie con diverse composizioni chimiche, all’elevata efficienza di carica che riduce al minimo la produzione di calore per consentire brevi tempi di carica e all’ampia gamma di tensioni di funzionamento. Tuttavia, esistono alcuni aspetti negativi: costo relativamente elevato, progettazione più complessa perché basata su induttori, possibilità di generare rumore e ingombri maggiori, mentre i tradizionali caricabatteria a topologia lineare sono spesso apprezzati per l’ingombro ridotto, la semplicità e il costo inferiore; i loro svantaggi sono la limitata differenza tra la tensione della batteria e d’ingresso, il consumo di corrente relativamente maggiore, l’eccessiva dissipazione di potenza, algoritmi di terminazione della carica limitati ed efficienza relativa inferiore. Le moderne batterie al piombo-acido, quelle per applicazioni di alimentazione wireless, energy harvesting, carica a energia solare, rilevazione in remoto e sistemi integrati negli autoveicoli, tradizionalmente vengono alimentate da caricabatteria a commutazione a causa dei fattori positivi indicati sopra; tuttavia, esiste l’opportunità di sviluppare un caricabatteria lineare ad alta tensione e consumo di corrente ultrabasso che non presenti i soliti svantaggi.
Applicazioni all’avanguardia
Le seguenti sono alcune applicazioni all’avanguardia per le quali possono essere vantaggiosi caricabatteria lineari ad alta tensione e corrente di riposo ultrabassa:
- Batterie al piombo-acido sigillate e con bassa corrente di carica. Molte applicazioni di controllo / rilevazione in remoto si avvantaggiano dell’ampio intervallo di temperature di una batteria al piombo-acido sigillata. Queste applicazioni in remoto in genere richiedono bassissima potenza e non è necessario che la carica sia eseguita velocemente, quindi si possono usare basse correnti di carica, che servono solo a mantenere la batteria alla massima carica.
- In caso di alimentazione wireless, la carica viene eseguita a livelli di potenza bassissimi, normalmente inferiori a 100 mW.
- In applicazioni “energy harvesting” con qualsiasi sorgente di micropotenza, una bassa corrente di riposo è essenziale per evitare la “concorrenza” con le richieste di corrente di carico a valle.
- Nelle applicazioni di carica a energia solare le tensioni, sia al pannello che alla batteria, variano in un ampio intervallo. Per applicazioni a bassa potenza, un caricabatteria lineare è una buona soluzione.
- I sensori remoti per monitoraggio o controllo, in genere presenti in sistemi industriali a bassa potenza, impiegano batterie principalmente per riserva. Ne consegue che il tempo di carica raramente è importante e le tensioni della batteria o d’ingresso variano in un ampio intervallo. In questo caso, un caricabatteria lineare a bassa IQ sarebbe una buona soluzione.
- I sistemi integrati negli autoveicoli hanno tensioni d’ingresso >30V; alcuni hanno tensioni anche maggiori. Ad esempio, si considerino i sistemi di localizzazione Gps antifurto; un caricabatteria lineare con la tipica tensione di 12V per due batterie agli ioni di litio in serie (in genere 7,4V) con ulteriore protezione per tensioni molto più alte sarebbe prezioso per tali applicazioni.
Una nuova soluzione
È chiaro che una soluzione a circuiti integrati e topologia lineare che risponda alle esigenze delle applicazioni di carica e risolva i corrispondenti problemi già discussi deve offrire molti dei seguenti attributi:
- bassa corrente di carica: alla batteria viene trasferita più energia da sorgenti d’ingresso deboli / intermittenti, riducendo la dissipazione di potenza. Inoltre, una bassa IQ della batteria ne prolunga la durata quando la carica è terminata e non è presente alcun ingresso;
- ampia gamma di tensioni d’ingresso, per accettare un assortimento di sorgenti di potenza;
- ampia gamma delle tensioni di carica della batteria, per rispondere all’esigenza di avere più batterie in serie;
- possibilità di caricare batterie con diverse composizioni chimiche (litio, acido-piombo, nichel);
- modalità autonoma e semplice con circuiti di terminazione della carica incorporati (non occorre alcun microcontrollore);
- regolazione della tensione d’ingresso per sorgenti a energia solare;
- ingombro ridotto, a profilo basso;
- contenitore avanzato per offrire migliori prestazioni termiche ed efficienza nello spazio disponibile.
Il caricabatteria lineare LTC4079 realizzato da Linear Technology presenta già la maggior parte di questi attributi. L’LTC4079 è un caricabatteria da 60 V e 250 mA a corrente costante/tensione costante, adatto per batterie con diverse composizioni chimiche, con bassa corrente di riposo (solo 4 µA durante la carica); la sua topologia lineare offre una semplice configurazione che fa a meno di induttori e accetta un’ampia gamma di tensioni d’ingresso: da 2,7 a 60 V. L’intervallo delle tensioni di carica della batteria, programmabile mediante resistore da 1,2 a 60 V - con elevata precisione della tensione: ±0,5% - e il circuito di terminazione regolabile della carica incorporato fanno sì che l’LTC4079 sia adatto per molte composizioni chimiche: litio-ione o litio-polimeri, litio-ferro-fosfato (LiFePO4), nichel e piombo-acido. La corrente di carica è regolabile da 10mA a 250mA mediante un resistore esterno e a differenza di caricabatteria di altre marche disponibili sul mercato, il dispositivo mantiene una precisione elevata a basse correnti di carica. Sebbene la carica di batterie al piombo-acido a tre stadi sia possibile utilizzando alcuni componenti esterni, la corrente di carica relativamente bassa dell’LTC4079 lo rende più adatto per batterie al piombo-acido a carica flottante. Analogamente, poiché non sono implementati algoritmi di terminazione per batterie al nichel a carica rapida, queste devono essere caricate alla velocità di auto-scarica quando si impiega l’LTC4079. Le applicazioni sono varie: sistemi industriali e automobilistici integrati, carica di batterie di riserva, energy harvesting e dispositivi basati su batterie a film sottile. La funzione di regolazione della tensione d’ingresso dell’LTC4079 può mantenere il pin IN a una tensione costante o a una tensione differenziale costante oltre la tensione della batteria. È così possibile evitare che la tensione d’ingresso di una sorgente di potenza a corrente limitata, come una batteria quasi scarica o un pannello solare, scenda bruscamente sotto la tensione di blocco da sottotensione. La corrente di carica è ridotta quando la tensione d’ingresso diminuisce raggiungendo la soglia programmata. Questo meccanismo di regolazione consente di selezionare la corrente di carica in base ai requisiti sulla batteria, mentre lascia intervenire l’LTC4079 nelle situazioni in cui la sorgente d’ingresso non può fornire l’intera corrente di carica programmata. La funzione di regolazione termica dell’LTC4079 assicura la massima corrente di carica fino al limite specificato senza rischio di surriscaldamento. La carica può essere terminata tramite C/10 o un timer regolabile integrato. Altre funzioni: carica qualificata secondo la temperatura tramite termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC), rilevazione di batteria difettosa, ricarica automatica con segnale di retroazione campionato in standby ai fini di una scarica trascurabile della batteria e uscita di stato con il pin CHRG a drain aperto. Una volta caricata la batteria, la sua tensione viene campionata mediante una rete di retroazione ogni tre secondi per ridurre al minimo la scarica della batteria, prolungandone così l’autonomia. La Fig. 2 mostra il tipico ciclo di carica completa di una batteria agli ioni di litio eseguita dall’LTC4079, con terminazione della carica tramite C/10. L’LTC4079 è contenuto in un package da 3 x 3 mm a 10 pin e profilo ribassato (0,75 mm) con piazzole metalliche sul lato posteriore per offrire prestazioni termiche eccellenti. Il funzionamento del dispositivo è garantito da –40°C a 125°C. Le caratteristiche principali sono:
- ampio intervallo di tensioni d’ingresso: 2,7 - 60 V;
- tensione della batteria regolabile: 1,2 - 60 V;
- corrente di carica regolabile: 10 - 250 mA;
- bassa corrente di riposo durante la carica: IIN = 4µA;
- corrente ultrabassa di scarica della batteria quando è disinserita o carica: IBAT < 0,01µA;
- ricarica automatica;
- regolazione della tensione d’ingresso per sorgenti ad alta impedenza;
- la funzione di regolazione termina massimizza la corrente di uscita senza generare surriscaldamento;
- retroazione a tensione costante con precisione di ±0,5%;
- ingresso a termistore Ntc per ottenere carica qualificata secondo la temperatura;
- timer di sicurezza regolabile;
- indicazione di stato della carica;
- package Dfn a 10 fili (3 × 3mm) con piazzole di dissipazione termica.
Carica mediante energia solare
Le applicazioni di carica mediante pannelli solari sono in aumento per un’ampia gamma di composizioni chimiche delle batterie, ma le più diffuse sono le batterie acido-piombo e quelle agli ioni di litio/polimero/fosfato. La funzione di regolazione della tensione offerta dall’LTC4079 può gestire questi casi senza alcun problema. Il circuito integrato può regolare una tensione costante sul pin IN quando la carica viene eseguita mediante una sorgente di potenza a corrente limitata, come una batteria quasi scarica o un pannello solare. Questa funzione è utilizzabile per evitare che la tensione d’ingresso scenda bruscamente sotto la tensione di blocco da sottotensione o per mantenere la tensione della sorgente al valore corrispondente alla potenza di picco. La corrente di carica è ridotta quando la tensione d’ingresso diminuisce raggiungendo la soglia impostata da un partitore di tensione resistivo esterno inserito tra la sorgente di potenza d’ingresso, il pin EN e GND. Questo meccanismo di regolazione consente di selezionare la corrente di carica in base ai requisiti sulla batteria e alla massima potenza disponibile dalla sorgente di carica. L’LTC4079 riduce automaticamente la corrente di carica quando la sorgente d’ingresso non può fornire la corrente di carica programmata. La funzione di regolazione della tensione differenziale (VIN-VBAT ) di cui è dotato l’LTC4079 offre un ulteriore metodo per evitare che la tensione d’ingresso scenda bruscamente quando la corrente d’ingresso è fornita da una sorgente debole. Se la tensione d’ingresso diminuisce a un valore prossimo alla tensione della batteria, l’anello di regolazione della tensione differenziale integrato nell’LTC4079 la mantiene a un valore maggiore della tensione della batteria di 160 mV (valore tipico) riducendo la corrente di carica mentre si riduce il differenziale tra tensione d’ingresso e tensione della batteria. In entrambe le suddette condizioni di regolazione, la sorgente d’ingresso deve fornire almeno la corrente di riposo del dispositivo per prevenire il blocco da sottotensione. Il timer di carica va in pausa ogni volta che la corrente di carica si riduce a causa della regolazione della tensione d’ingresso o della tensione differenziale.
Carica di batterie al nichel
L’LTC4079 è progettato in modo da gestire anche batterie al nichel. Per batterie con tale composizione chimica (ad esempio batterie al nichel-cadmio o al nichel-metallo idruro), occorre considerare la possibilità di sovraccarica. Un tipico metodo consiste nella carica alla velocità di auto-scarica, quindi con basse correnti per un lungo periodo di tempo. Poiché le batterie NiCd e NiMH possono essere caricate indefinitamente a una velocità pari a C/300, è possibile una carica di durata inferiore ricorrendo a un algoritmo di carica con timer. È consigliabile caricare la batteria a non oltre il 125% della sua capacità. Per esempio, una batteria NiMH da 1000 mA·h può essere caricata per 12-14 ore regolando la corrente di carica a 100 mA. La funzione di regolazione a tensione costante riduce gradualmente la corrente di carica quasi a zero quando la batteria raggiunge la massima capacità.
