Llevarte a aprender sobre USB

Como fuente de energía para productos electrónicos de bajo consumo (principalmente productos alimentados por baterías), el USB ofrece cada vez más oportunidades de aplicación, y el omnipresente USB también ofrece más oportunidades y mayores desafíos para el diseño de cargadores. Este artículo presenta la conexión simple entre un cargador de batería y una fuente de alimentación USB, detalla las características del bus de alimentación USB y las tecnologías relacionadas, los métodos de carga y los métodos de carga de terminación de las baterías NiMH y Li+, y proporciona un ejemplo completo de Carga inteligente de baterías NiMH a través de un puerto USB.

Un puerto Universal Serial Bus (USB) es un puerto de datos bidireccional con alimentación y tierra. El USB puede conectar todo tipo de dispositivos periféricos, incluidos discos externos, dispositivos de almacenamiento, teclados, ratones, interfaces inalámbricas, cámaras y cámaras, reproductores MP3 e innumerables dispositivos electrónicos. Muchos de estos dispositivos funcionan con baterías, algunas de las cuales vienen con baterías incorporadas. Para el diseño de carga de baterías, el ampliamente utilizado USB ofrece oportunidades y desafíos. Este artículo explica cómo conectar un cargador de batería simple con una fuente de alimentación USB. El artículo cubre las características del bus de alimentación USB, incluido el voltaje, la limitación de corriente, la sobrecorriente, los conectores y los problemas de conexión de cables. También presenta la tecnología de baterías de níquel-hidrógeno (NiMH) y baterías de litio, métodos de carga y tecnología de terminación de carga. Se proporciona un circuito de ejemplo completo para lograr la carga inteligente de baterías NiMH a través de puertos USB y se proporcionan datos de carga.

Funciones USB

El bus USB puede proporcionar energía para dispositivos electrónicos de bajo consumo. La fuente de alimentación del bus está aislada de la red eléctrica y tiene buena estabilidad. Sin embargo, la corriente disponible es limitada y existen posibles problemas de interoperabilidad entre la carga y el host o la fuente de alimentación.

Requisitos de carga de la batería

1. Baterías de iones de litio y de polímero de litio de una sola celda

Hoy en día, cuando las baterías de litio se cargan a su capacidad máxima nominal, su voltaje suele estar entre 4,1V y 4,2V. El rango de voltaje de las baterías más nuevas y de mayor capacidad actualmente en el mercado está entre 4,3 V y 4,4 V. Las baterías prismáticas típicas de iones de litio (Li+) y de polímero de litio (Li Poly) tienen capacidades que oscilan entre 600 mAh y 1400 mAh.

Para las baterías Li+ y Li Poly, la curva de carga preferida es comenzar con una carga de corriente constante y continuar hasta que el voltaje de la batería alcance el voltaje nominal. Luego, el cargador ajusta el voltaje en ambos extremos de la batería. Estos dos métodos de ajuste constituyen el método de carga de corriente constante (CC) y voltaje constante (CV). Por lo tanto, este tipo de cargador se denomina comúnmente cargador CCCV. Después de que el cargador CCCV ingresa al modo CV, la corriente de carga de la batería comienza a disminuir. Si se utiliza una velocidad de carga típica de 0,5 C a 1,5 C para cargar, el cargador cambiará del modo CC al modo CV cuando la batería alcance entre el 80% y el 90% de su capacidad total. Una vez que el cargador ingresa al modo de carga CV, monitorea la corriente de la batería; Cuando la corriente alcanza el umbral mínimo (unos pocos miliamperios o decenas de miliamperios), el cargador finaliza la carga. En la figura se muestra la curva de carga típica de las baterías de litio.

En el indicador de caída de voltaje del USB, se puede ver que el voltaje del puerto de baja potencia descendente del concentrador de alimentación del puerto no tiene margen suficiente, lo que dificulta cargar la batería a 4,2 V. Una pequeña cantidad de resistencia adicional en la ruta de carga puede dificultar la carga normal. Las baterías Li+ y Li Poly deben cargarse a temperaturas adecuadas.

La temperatura máxima de carga recomendada por el fabricante generalmente es entre+45 ° C y+55 ° C, y la temperatura máxima de descarga permitida puede aumentarse en aproximadamente 10 ° C. Los materiales utilizados en estas baterías tienen propiedades químicas muy activas, y si la temperatura de la batería excede+70 ° C, ocurrirá una combustión. Los cargadores de batería de litio deben tener un circuito de apagado térmico que monitoree la temperatura de la batería. Si la temperatura de la batería excede la temperatura máxima de carga recomendada por el fabricante, se terminará la carga.

2. Baterías de níquel-hidrógeno (NiMH)

Las baterías de NiMH son más pesadas que las de litio y tienen una menor densidad de energía. Las baterías de NiMH siempre han sido más baratas que las de litio, pero recientemente la diferencia de precio entre ambas se ha ido reduciendo. Las baterías de NiMH tienen dimensiones estándar y pueden reemplazar directamente a las baterías alcalinas en la mayoría de las aplicaciones. El voltaje nominal de cada batería es de 1,2V, que alcanzará los 1,5V cuando esté completamente cargada.

Una fuente de corriente constante generalmente se usa para cargar baterías NIMH. Cuando alcanza un estado completamente cargado, se produce una reacción química exotérmica, lo que lleva a un aumento en la temperatura de la batería y una disminución en el voltaje terminal de la batería. Puede detectar la velocidad de aumento de temperatura o cambio de voltaje negativo de la batería y usarse para terminar la carga. Estos métodos de terminación de carga se denominan DT/DT y - Δ V. Cuando la tasa de carga es muy baja, dt/dt y - Δ V no es muy obvio y difícil de detectar con precisión. Cuando la batería comienza a ingresar a un estado de sobrecarga, DT/DT y - Δ La respuesta V comienza a mostrar. Si continúa cargando en este momento, dañará la batería.

La detección de terminación es mucho más fácil cuando la tasa de carga es mayor que C/3 que cuando la tasa de carga es más baja. La velocidad de aumento de la temperatura es de aproximadamente 1 ° C/minuto - Δ La respuesta V también es más pronunciada que a bajas tasas de carga. Una vez que se completa la carga rápida, se recomienda cargar la batería a una corriente más baja durante un período de tiempo para cargar completamente la batería (para compensar la carga). Después de la finalización de la etapa de carga suplementaria, se utiliza una corriente de carga de goteo de C/20 o C/30 para compensar el efecto de autodecución y mantener la batería en un estado completamente cargado. La Figura 3 muestra la curva de voltaje de la batería de una batería NIMH (parcialmente cargada por adelantado) cargada con un cargador NIMH DS2712. En esta figura, los datos de la curva superior se obtienen cuando la corriente de carga fluye hacia la batería, mientras que los datos de la curva inferior se miden cuando la corriente se corta. En DS2712, esta diferencia de voltaje se usa para distinguir entre baterías NIMH y baterías alcalinas. Si se detecta una batería alcalina, DS2712 no la cargará.

resumen

Para cargar baterías de pequeños dispositivos electrónicos de consumo, un puerto USB es una fuente de energía económica y práctica. Para cumplir plenamente con las especificaciones USB 2.0, la carga conectada al puerto USB debe poder comunicarse en ambas direcciones con el host. La carga también debe cumplir con los requisitos de administración de energía, incluido el modo de bajo consumo de energía y medios para que el host determine cuándo extraer grandes corrientes del puerto. Aunque los sistemas parcialmente compatibles pueden admitir la mayoría de los hosts USB, a veces pueden producirse resultados inesperados. Sólo con una buena comprensión de los requisitos de las especificaciones USB y las expectativas de carga se puede lograr un buen equilibrio entre la compatibilidad con las especificaciones y la complejidad de la carga.