Viviamo in un mondo mobile, circondati nella nostra vita quotidiana da un numero crescente di dispositivi elettronici. Smartphone, dispositivi per fitness e cuffie per ascoltare la musica sono solo alcuni esempi di apparecchiature elettroniche mobili e indossabili molto diffuse. La loro utilità dipende tuttavia dalla disponibilità di energia. Le sorgenti di energia per queste apparecchiature sono solitamente batterie ricaricabili a singola cella basate sulla ben nota tecnologia agli ioni di litio o polimeri di litio. Queste batterie offrono alta densità di potenza in piccole dimensioni, ma devono essere adeguatamente protette contro correnti eccessive di carica e scarica, sovratensione e sottotensione, e cortocircuiti. In caso contrario la batteria può diventare difettosa e provocare gravi danni. Per il funzionamento efficiente e sostenibili dei dispositivi elettronici, è importante avere una gestione affidabile e sicura dell’alimentazione. Questo articolo presenta una soluzione completa per dispositivi mobili alimentati da una batteria a singola cella con monitoraggio della batteria.
Una soluzione di alimentazione a batteria
Consideriamo una soluzione di alimentazione a batteria. Il circuito può essere alimentato tramite una porta Usb o un’altra sorgente esterna a +5,0 V. Il multiplexer di potenza TPS2113A di Texas Instruments è configurato in modo tale da selezionare automaticamente l’ingresso dell’adattatore come sorgente di potenza se disponibile. In caso contrario la batteria viene caricata tramite Usb. Il caricabatterie bq24050 è un dispositivo basato su un regolatore lineare per la ricarica di singole celle, principalmente mediante una sorgente di alimentazione Usb. Carica una batteria a bottone CoinPower CP1654 di Varta con una tensione nominale di 3,7 V e una capacitanza di 100 mAh. Per evitare danni alla batteria, il dispositivo bq29707 di protezione della batteria rileva la tensione e la corrente. Se l’intervallo di funzionamento sicuro viene superato, scollega il caricatore o il carico. Il livello di carica delle batterie viene misurato con il dispositivo “fuel gauge” bq27410. Il sistema viene controllato e monitorato dal microcontrollore MSP430F5510, con un’interfaccia Usb integrata utilizzata come convertitore da seriale a Usb per la comunicazione con il computer. Una piccola interfaccia utente visualizza i parametri effettivi, come tensione della batteria e corrente media, aiutando il progettista in fase di valutazione del sistema. A completamento del sistema, il regolatore lineare TLV70033 alimenta il microcontrollore, mentre la soluzione per Esd (scariche elettrostatiche) TPD4S012 protegge le linee Usb sul lato del caricatore.
Funzionalità avanzate
Il caricabatterie bq24050 sfrutta le linee dati (D+, D-) del bus Usb per rilevare automaticamente la connessione a una porta Usb del computer o a un caricatore Usb dedicato. Se sono presenti resistenze di pull-down su entrambe le linee, questo indica l’utilizzo di una porta Usb e il dispositivo limita la corrente di carica massima a 100mA per evitare di sovraccaricare una porta Usb a bassa potenza. Se le linee D+ e D- sono cortocircuitate, questo indica che è stato collegato un caricatore Usb dedicato, pertanto la corrente massima viene impostata al livello definito dalla resistenza sul pin Iset del circuito integrato. Se la corrente di carica richiesta supera 100 mA durante l’alimentazione da porta Usb, lo stato del pin Iset2 deve essere modificato per restituire il controllo della corrente all’Iset. Il microcontrollore riceve dal pin di stato del multiplexer di potenza TPS2113A l’informazione se il circuito è alimentato da una porta Usb o da una sorgente di alimentazione esterna. Se è alimentato da una porta Usb, il microcontrollore commuta il pin Iset2 del circuito integrato di carica, per restituire il controllo della corrente massima di carica al pin Iset, dove la corrente può essere regolata mediante ponticelli fra 15 e 200 mA. Naturalmente la porta Usb deve supportare correnti più elevate, altrimenti viene limitata a 100mA. Poiché il caricatore è basato su un regolatore lineare, la corrente massima di carica è equivalente alla corrente massima di ingresso. Due Led indicano se la batteria è in carica o se la ricarica è completa.
Protezione dedicata
Le batterie agli ioni di litio sono molto sensibili alle tensioni minime e massime e alle correnti di carica e scaricamento. Bisogna pertanto assicurarsi che la tensione in fase di carica non sia troppo alta e che la batteria venga scollegata dal carico se si raggiunge una determinata soglia minima. Anche correnti altissime o un corto della batteria possono provocare gravi danni, fino alla combustione. Pertanto, la protezione dedicata per la batteria bq29707 rileva tutti i parametri critici durante il funzionamento e scollega la batteria dal caricatore o dal carico nel caso in cui si superino i limiti di esercizio sicuro. Le soglie di sovratensione e sottotensione sono fisse e variano secondo la versione del circuito integrato, mentre la corrente massima è definita da uno shunt. Non appena il carico viene collegato, la tensione della batteria scende da 4,1 V a circa 4,0 V. Poi la tensione diminuisce gradualmente fino a 2,80 V nell’arco di 25 minuti. Per prevenire l’eccessivo scaricamento della batteria, la protezione scollega la batteria dal carico quando viene raggiunta la soglia inferiore di 2,80 V. La corrente diminuisce in modo pressoché lineare durante la fase di ricarica, perché la tensione della batteria aumenta e, pertanto, la differenza di tensione fra il caricatore (4,20 V) e la batteria si riduce. Al termine della ricarica, il caricatore sgancia la batteria e la tensione si stabilizza attorno a 4,1 V. Chi usa un dispositivo mobile solitamente vuole conoscere lo stato di carica della batteria per stabilire l’autonomia residua. Il misuratore bq27410 consente di raccogliere tutte le informazioni sulla salute della batteria, come corrente media (caricamento-scaricamento), tensione della batteria e capacitanza residua. Prima del primo utilizzo, deve essere tarato con “bq Evaluation Software” di Texas Instruments per garantire risultati di misurazione precisi. Durante il processo di taratura, la tensione di uscita e la corrente di carico devono essere misurate con precisione. Questi valori vengono quindi immagazzinati nella memoria di taratura del dispositivo per eliminare eventuali tolleranze e l’influsso della resistenza del rame della scheda a circuito stampato. Il microcontrollore MSP430F5510, con interfaccia Usb integrata, viene visualizzato su un computer come porta Com virtuale, legge i dati dal “fuel gauge” tramite I2C e li trasmette a un’interfaccia utente che mostra tutti i parametri rilevanti della batteria per una facile valutazione del sistema di alimentazione.
Sicurezza e affidabilità
Per il funzionamento sicuro e affidabile di un dispositivo alimentato a batteria, sono necessarie alcune precauzioni per la batteria stessa. L’algoritmo di carica deve essere conforme alla chimica della batteria ed è essenziale la protezione contro sovraccarica, sovra-scaricamento e correnti troppo elevate. Il progetto di riferimento illustrato è una soluzione completa con carica, protezione e monitoraggio per una batteria a singola cella a bottone per l’alimentazione di dispositivi mobili. A scopo di monitoraggio e sviluppo, la scheda può essere collegata a un computer tramite Usb per visualizzare i parametri rilevanti della batteria su un’interfaccia.
