Nuove soluzioni per la ricarica delle batterie per celle agli ioni di litio

Nel corso degli anni, la domanda di energia portatile, efficiente, leggera, a ricarica veloce, sicura ed economica ha portato allo sviluppo di molte nuove tecnologie per le batterie, tra cui nichel-metallo idruro (NiMH), alcaline ricaricabili, ioni di litio (Li-ion) e litio polimero (Li-poly), tanto per citarne alcuni tipi. In linea di massima, le proprietà chimiche di queste nuove batterie richiedono un circuito di ricarica e di protezione più sofisticato per ottimizzare le prestazioni e garantire la sicurezza. Fortunatamente, in parallelo sono anche stati sviluppati avanzati dispositivi a semiconduttore per caricarle e proteggerle.

Questo articolo esamina le virtù e le limitazioni delle nuove tecnologie per batterie. Sono esaminate e discusse anche le nuove soluzioni per la ricarica di batterie agli ioni di litio da fornitori di semiconduttori come Maxim Integrated, Linear Technology e Texas Instruments.

Tecnologie per batterie

Nel settore delle apparecchiature elettroniche portatili negli ultimi anni sono emerse nuove chimiche per batterie ricaricabili per competere con la tecnologia, a lungo prediletta, del nichel cadmio (NiCd), che continua ad essere interessante per applicazioni quali attrezzi elettrici, che richiedono alta corrente per brevi periodi, cui ben si prestano le caratteristiche di bassa impedenza del NiCd.

Tuttavia, i progettisti di applicazioni portatili moderne, come smartphone, tablet e fotocamere digitali sono alla ricerca di batterie con una maggiore capacità e una velocità di scarica inferiore rispetto al NiCd. Inoltre queste applicazioni richiedono batterie che si possano caricare rapidamente e leggere. Le tecnologie per batterie che rispondono a tali requisiti comprendono il nichel-metallo idruro (NiMH), gli ioni di litio (Li-ion) e il litio polimero (Li-poly). Mentre le batterie NiMH offrono maggiore capacità e tempi di carica veloci, la loro limitazione è l'elevata velocità di scarica, pari al doppio di quella del NiCd, già di per sé relativamente elevata (Tabella 1).

Tabella 1: Parametri chiave delle batterie a seconda del tipo di chimica (per gentile concessione di Maxim Integrated).

Come descritto nella nota applicativa AN676¹ di Maxim Integrated, Li-ion e Li-poly sono diventati popolari nei prodotti portatili perché offrono una capacità molto più elevata rispetto a NiCd e NiMH e hanno una velocità di scarica significativamente inferiore. Inoltre, la nota applicativa mostra che le batterie agli ioni di litio sono anche molto più leggere. Di conseguenza, in confronto al NiMH, le batterie Li-ion possono erogare quasi il doppio della capacità per unità di massa.

Le batterie Li-ion, tuttavia, hanno anche molte limitazioni intrinseche. Maxim sottolinea che esse sono altamente sensibili all'eccesso di carica così come a livelli di carica insufficienti. Mentre l'eccessiva tensione può causare danni permanenti alla batteria, le scariche ripetute a una tensione sufficientemente bassa possono causare la perdita di capacità. Pertanto, per proteggere la batteria la soluzione di ricarica deve limitare la tensione e la corrente della batteria durante la scarica e anche la ricarica.

Al tempo stesso, le batterie Li-ion includono normalmente in qualche forma un circuito di protezione da sottotensione e sovratensione, nonché un fusibile per evitare l'esposizione a una corrente eccessiva. Inoltre, gli ingegneri di Maxim sostengono che queste batterie includono anche un interruttore che apre i circuiti della batteria quando l'alta pressione ne causa lo sfogo.

Per di più, a differenza delle batterie NiCd e NiMH, che richiedono una sorgente di corrente per la ricarica, le batterie agli ioni di litio devono essere caricate con una combinazione di una sorgente di tensione e corrente. Per ottenere la massima carica senza danni, la maggior parte dei caricatori Li-ion mantiene una tolleranza dell'1% sulla tensione di uscita. Una tolleranza più stretta è generalmente sconsigliata, dato che è difficile e aumenta il costo. In generale, il lieve incremento della capacità non ne vale la pena.

Caricatori per ioni di litio a cella singola

Per telefoni cellulari e altri dispositivi simili il metodo di ricarica preferito comporta l'uso di un'unità separata denominata "base di ricarica" in cui collocare il dispositivo o la batteria. Secondo Maxim, un caricatore lineare, a cella singola Li-ion o Li-poly è adatto per l'uso in una base. Poiché la batteria o l'unità di carica è separata, il calore che genera non costituisce un grosso problema in quanto non è integrata nel dispositivo. In questo caso, il regolatore lineare abbassa la differenza di tensione (tra la fonte di alimentazione continua e la batteria) attraverso un pass transistor operante nella propria regione lineare. Dato che il caricatore è confinato in uno spazio ridotto, si consiglia la ventilazione per evitare il surriscaldamento dovuto alla dissipazione di potenza.

Il caricatore Li-ion lineare a cella singola di Maxim è il modello MAX846A. Il riferimento preciso entro 0,5% permette la ricarica in sicurezza delle celle Li-Ion che richiedono elevata precisione di tensione. I circuiti di regolazione della tensione e della corrente utilizzati per controllare un transistor PNP esterno a basso costo (o un MOSFET a canale P) sono indipendenti l'uno dall'altro. Come mostra la Figura 1, il transistor di potenza esterno FZT749 di Fairchild Semiconductor abbassa la tensione di alimentazione fino alla tensione della batteria e tiene conto della maggior parte della dissipazione di potenza del circuito. Il risultato è un riferimento interno più stabile che produce un limite di tensione della batteria più stabile.

Figura 1: Il caricatore lineare Li-ion a cella singola MAX846A comanda un transistor di potenza esterno (Q1) che abbassa la tensione di alimentazione alla tensione della batteria.

In questo circuito, R1 e R3 determinano la corrente di uscita. R1 rileva la corrente di carica e R3 regola il livello al quale viene regolata la corrente. La corrente in uscita dal terminale ISET è pari a 1/1000 della tensione tra CS+ e CS-. Il regolatore di corrente controlla la tensione ISET a 2 V. Di conseguenza, il limite di corrente [2.000/(R3 *R1)] è 1 A. Come descritto nella nota applicativa di Maxim, i circuiti di controllo per i limiti di tensione e di corrente hanno punti di compensazione (CCV e CCI) distinti, che semplifica il compito di stabilizzarli. I terminali ISET e VSET consentono la regolazione dei limiti di corrente e tensione.

Texas Instruments è un altro fornitore di caricatori lineari applicazioni portatili in spazi limitati. La serie altamente integrata bq24040 di TI comprende un caricatore in CI destinato a celle Li-ion e Li-poly. Con una gestione di un ampio intervallo della tensione di ingresso, i caricatori funzionano da una porta USB o con un adattatore c.a. a basso costo. Secondo TI, i dispositivi della serie bq2400x ricaricano le batterie in tre fasi: precondizionamento, corrente costante e tensione costante. In tutte le fasi, un circuito di controllo interno monitorizza la temperatura di giunzione del circuito integrato e riduce la corrente di carica se viene superata la soglia di temperatura interna.

Analogamente, il caricatore per batterie agli ioni di litio autonomo LTM8061 di Linear Technology è ottimizzato per batterie Li-ion e Li-poly a due celle pack con opzioni di tensione di flusso fissa di 4,1, 4,2, 8,2 e 8,4 V. Fornisce caratteristiche di carica a corrente costante/tensione costante e una corrente di carica massima fino a 2 A. La scheda tecnica del caricabatterie in micromodulo sottolinea che si tratta di una soluzione di carica completa SiP (system-in-package) con controller c.c./c.c. integrato, transistori di potenza, condensatori di ingresso e uscita, componenti di compensazione ed un induttore in un contenitore LGA compatto a montaggio superficiale. Di conseguenza, il caricatore Li-ion a cella singola basato su LTM8061 utilizza un numero minimo di componenti esterni (Figura 2).

Figura 2: Il caricatore in micromodulo LTM8061 è una soluzione di carica completa SiP (system-in-package) per una singola cella agli ioni di litio.

Altri concorrenti in questa gara per fornire CI caricatori integrati per la ricarica efficiente di batterie Li-ion e Li-poly a cella singola includono Fairchild Semiconductor, Intersil e STMicroelectronics.

Carica di due o più celle

Un circuito analogo per caricare due celle agli ioni di litio in serie è illustrato nella Figura 3. Utilizza MAX745 di Maxim, un caricatore per batterie agli ioni di litio in modalità di commutazione che offre un'efficienza del 90%. Dato che integrata su chip tutte le funzioni necessarie per la ricarica di batterie Li-ion, MAX745 fornisce una corrente di carica regolata fino a 4 A senza riscaldarsi e una tensione regolata con un errore totale pari soltanto allo ±0,75% ai terminali della batteria. Utilizza resistori all'1% a basso costo per impostare la tensione di uscita e un MOSFET a canale N a basso costo come interruttore di alimentazione. Il setpoint di tensione e la corrente di carica sono regolati utilizzando due circuiti che lavorano insieme per una transizione fluida tra regolazione di tensione e di corrente. Il limite di regolazione della tensione della batteria per cella è impostato tra 4 e 4,4 V tramite resistori standard all'1%.

Figura 3: MAX745 è un caricatore a modalità di commutazione capace di fornire tutte le funzioni necessarie per caricare più celle agli ioni di litio in serie.

Circuiti integrati per caricare due celle agli ioni di litio in serie sono anche disponibili da fornitori come Texas Instruments e Linear Technology.

Sebbene siano disponibili molte opzioni per caricare batterie agli ioni di litio a una o più celle, il progettista deve anzitutto esaminare i requisiti come tensione di ingresso, corrente di carica, metodologia di carica, capacità di protezione, conformità USB, costo e altre caratteristiche chiave prima di scegliere un caricabatterie in CI per una data applicazione.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimento

1. Nota applicativa 676 "New Developments in Battery Chargers", novembre 2011, Maxim Integrated