Il processo di ricarica delle batterie interessa una vasta gamma di strutture chimiche e di livelli di tensione e corrente in molti segmenti di mercato. Ad esempio, i caricabatterie per i settori industriale, sanitario e automotive richiedono tensioni e correnti sempre più elevate visto che stanno emergendo nuove applicazioni sia per le strutture chimiche esistenti che per quelle nuove, tra cui le batterie Sla (Sealed Lead Acid) per applicazioni solari. Le soluzioni esistenti basate su un unico circuito integrato coprono solo una piccola parte delle numerose combinazioni tra tensione in ingresso, tensione di carica e corrente di carica. Abitualmente veniva usata una complicata combinazione di circuiti integrati e componenti discreti per coprire la maggior parte di tali combinazioni e topologie. Le attuali tendenze di mercato indicano un rinnovato interesse per le celle di batterie Sla ad alta capacità, una specie di revival, che non vengono più utilizzate solo per le auto. Le celle Sla automotive o “di avviamento” non sono costose in termini di costo/potenza sviluppata e possono fornire correnti a impulsi elevati di breve durata, il che le rende perfette per applicazioni automotive e altre applicazioni di avviamento. Un’altra tecnologia molto diffusa nelle applicazioni industriali sono le batterie al piombo acido “deep cycle” che sono dotate di piastre più spesse di quelle automotive e sono progettate per scaricarsi al 20% della loro capacità. Normalmente vengono usate ove sia necessaria potenza per un lungo periodo di tempo, ad esempio nel caso di carrelli elevatori e golf cart. Ciò nonostante le batterie al piombo acido sono molto sensibili al sovraccarico quindi è molto importante che la carica avvenga in modo accurato. Ovviamente le applicazioni a energia solare sono in crescita. Pannelli solari di varie dimensioni vengono usati per alimentare una vasta gamma di applicazioni innovative, dalle luci di segnalazione dei passaggi pedonali ai compattatori di rifiuti, fino alle boe luminose. Le batterie usate per le applicazioni a energia solare sono del tipo “deep cycle”, in grado di sopportare lunghi cicli di carica ripetuti oltre a cicli di scarica completa. Questo tipo di batterie viene normalmente usato nei sistemi a energia rinnovabile “off grid” (cioè non collegati alla rete elettrica), ad esempio a energia solare o eolica.
Dov’è il caricatore “all-in-one”?
Tra i problemi più difficili che il progettista deve affrontare all’inizio di un progetto relativo al processo di ricarica figurano i requisiti della tensione in ingresso, l’elevata capacità delle batterie da ricaricare o un range di tensioni in ingresso che sia superiore e inferiore al range della tensione delle batterie. A peggiorare le cose si aggiunge il fatto che molte applicazioni non hanno soluzioni di carica semplici e dedicate. Alcuni esempi:
• stack di batterie ad elevato numero di celle in serie; non esistono circuiti integrati per più di 4 celle al litio
• applicazioni con tensioni in ingresso elevate; non esistono circuiti integrati da 30V a 40V
• applicazioni buck-boost e topologie isolate, es. configurazione flyback.
A causa della complessità del design dei circuiti integrati, i controller di carica della batteria si limitano principalmente ad architetture step-down o buck. Alcune soluzioni esistenti caricano batterie con strutture chimiche diverse, alcune con terminazione incorporate, tuttavia per il momento non esistono caricatori in grado di offrire le caratteristiche necessarie per risolvere tutti questi problemi. Tra le applicazioni idonee per un dispositivo di questo tipo potrebbero figurare sistemi di caricabatterie ad alta potenza, strumenti portatili, dispositivi con batterie industriali e dispositivi di carica generici.
Una soluzione nuova
Una soluzione in grado di risolvere i problemi sopra citati deve avere molte (se non tutte) delle seguenti caratteristiche:
• flessibilità: deve operare insieme a diverse topologie di commutatore
• ampio range di tensioni in ingresso
• ampio range di tensioni in uscita per essere idonea per stack di batterie multiple
• capacità di caricare batterie con strutture chimiche diverse
• funzionamento semplice e autonomo (senza µP)
• corrente in uscita elevata
• ingombro ridotto
• package avanzato con ottima resa termica e dimensioni contenute
Una tipica soluzione complicata della concorrenza con controllo PowerPath e limitazione della corrente in ingresso è costituita da un regolatore di commutazione Dc/Dc, un microprocessore, oltre che da diversi circuiti integrati e componenti discreti. Esiste tuttavia una soluzione più semplice, il nuovo controller LTC4000 di Linear Technology.
Il controller LTC4000
L’LTC4000 è un controller e sistema di power management ad alta tensione che converte praticamente qualsiasi alimentatore Dc/Dc con compensazione esterna in un caricabatterie dotato di tutte le funzionalità. L’LTC4000 supporta una serie di convertitori Dc/Dc, incluse le topologie buck, boost, buck-boost, Sepic e flyback. Il dispositivo consente una regolazione precisa della corrente in ingresso e di carica, funziona in un ampio range di tensioni in ingresso e uscita da 3 a 60 V ed è compatibile con diverse fonti di tensione in ingresso, stack di batteria e composizioni chimiche. Tra le applicazioni principali vi sono i caricabatterie ad alta potenza, le strumentazioni portatili ad alte prestazioni, le batterie di riserva, i dispositivi industriali dotati di batteria e i notebook o i mini-portatili. L’LTC4000 prevede una topologia PowerPath intelligente che alimenta il carico di sistema in modo preferenziale in caso di potenza in ingresso limitata. Il dispositivo controlla due Pfet esterni per fornire protezione dalla corrente inversa a bassa perdita, una carica/scarica efficiente della batteria e un’accensione istantanea volta a garantire la disponibilità della potenza di sistema plug-in anche in caso di batteria completamente scarica o quasi esaurita. Le resistenze esterne e il rilevamento di precisione supportano correnti precise ad alta efficienza, consentendo all’LTC4000 di interagire con convertitori di potenza nell’ordine dei milliwatt o dei kilowatt. Il controller completo di tutte le funzionalità dell’LTC4000 consente la carica di numerose tipologie di batteria, incluse quelle agli ioni di litio/polimeri/fosfati, Sla e al nichel. Il dispositivo è dotato anche di indicatori dello stato di carica tramite i pin FLT e CHRG. Altre caratteristiche includono la tensione variabile programmabile con precisione di ±0,25%, terminazione della carica con C/X o selezionabile tramite timer, carica in base alla temperatura tramite un termistore Ntc, ricarica automatica, carica a goccia C/10 per celle esaurite e rilevamento del cattivo funzionamento della batteria. L’LTC4000 è disponibile in un package Qfn-28 a basso profilo (0,75 mm) da 4 x 5 mm e un package Ssop-28. Supporta temperature d’esercizio comprese tra -40 e 125 °C.
Di seguito le caratteristiche principali:
• implementazione di un caricabatterie completo ad alte prestazioni in combinazione con un convertitore Dc/Dc;
• ampio range di tensioni in ingresso e uscita: da 3V a 60 V;
• diodo ideale in ingresso per la protezione dalla corrente inversa a bassa perdita e condivisione del carico;
• diodo ideale in uscita per PowerPath a bassa perdita e condivisione del carico con la batteria;
• controllo PowerPath;
• accensione immediata con batteria esaurita;
• corrente in ingresso e di carica programmabile con precisione ±1%;
• tensione variabile programmabile e precisa (±0,2% a temperatura ambiente e ±1% rispetto alla temperatura operativa);
• terminazione della carica con C/X programmabile o tramite timer;
• ingresso Ntc per la carica in base alla temperatura-
Controllo completo del convertitore Dc/Dc esterno
L’LTC4000 necessita di un regolatore di commutazione con compensazione esterna per formare una soluzione completa per la gestione delle batterie. Le prestazioni di sistema variano in base al tipo di regolatore di commutazione abbinato all’LTC4000. L’LTC4000 include quattro diversi loop di regolazione: corrente in ingresso, corrente di carica, tensione variabile della batteria e tensione in uscita (A4-A7). Il loop che richiede la tensione più bassa sul pin ITH per la sua regolazione controlla il convertitore Dc/Dc esterno. Il loop di regolazione della corrente in ingresso impedisce il superamento del limite programmato per questa corrente (usando un resistore su IL) nello stato stazionario. Il loop di regolazione della corrente di carica impedisce il superamento del limite programmato per la corrente di carica della batteria (usando un resistore su CL). Il loop di regolazione della tensione variabile impedisce il superamento della tensione programmata per lo stack di batterie (usando un partitore resistivo da BAT a FBG via BFB). Il loop di regolazione della tensione in uscita impedisce il superamento della tensione in uscita del sistema programmata (usando un partitore resistivo da CSP a FBG via OFB). Inoltre l’LTC4000 fornisce pin di monitoraggio per la corrente in ingresso e la corrente di carica, rispettivamente sui pin IIMON e IBMON.
Circuiti demo flessibili
Il circuito demo di Linear Dc1721A-A è un caricabatterie e sistema di gestione PowerPath a 14,6V, 5A con convertitore buck-boost in ingresso da 6V a 36V dotato dell’LTC4000/LTC3789, adatto per applicazioni LiFePO4 a 4 celle. L’uscita di questa scheda demo è appositamente ideata per una batteria da 10A Tenergy. È possibile impostare altre tensioni modificando i resistori esterni. La tensione nominale può essere regolata con precisione mediante appositi resistori per il trimming. Questo circuito è stato progettato per dimostrare gli elevati livelli di prestazioni, efficienza e dimensioni compatte ottenibili usando queste parti in un caricabatterie con convertitore buck-boost dotato di sistema di gestione PowerPath intelligente. Funziona a 400 kHz e produce un’uscita regolata del caricabatterie a 5A/14,6V e un’uscita di sistema fino a 6,25 A da un range di tensioni in ingresso compreso tra 6 e 36 V: adatto per una vasta gamma di applicazioni portatili, tra cui strumentazioni, apparecchiature industriali, macchine utensili e computer. Ha un ingombro totale di 12,4 cm2 che consente di ottenere una soluzione molto compatta. Il raddrizzatore sincrono consente rendimenti superiori al 96% a pieno carico e con ingresso nominale. Ai fini della valutazione e della simulazione del circuito, il circuito demo Dc1830 verrà presentato entro breve tempo, consentendo alla scheda LTC4000 di essere interfacciata con altre schede di valutazione standalone compatibili con convertitore Dc/Dc.
