Como fuente de energía para productos electrónicos de baja potencia (principalmente productos alimentados por batería), USB ofrece más y más oportunidades de aplicación, y el ubicuo USB también ofrece más oportunidades y mayores desafíos para el diseño de cargadores. Este artículo presenta la simple conexión entre un cargador de batería y una fuente de alimentación USB, elabora 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 la carga de baterías inteligentes NIMH a través de un puerto USB.
Un puerto universal de bus serial (USB) es un puerto de datos bidireccional con energía y tierra. USB puede conectar todo tipo de dispositivos periféricos, incluidas unidades externas, dispositivos de almacenamiento, teclados, ratones, interfaces inalámbricas, cámaras y cámaras, reproductores de MP3 e innumerables dispositivos electrónicos. Muchos de estos dispositivos están alimentados por baterías, algunos de los cuales vienen con baterías construidas. Para el diseño de carga de la batería, el USB ampliamente utilizado trae oportunidades y desafíos. Este artículo explica cómo interactuar un cargador de batería simple con una fuente de alimentación USB. El artículo cubre las características del bus de alimentación USB, que incluyen voltaje, limitación de corriente, corriente de sobretensión, conectores y problemas de conexión de cable. También introduce batería de hidrógeno de níquel (NIMH) y tecnología de batería de litio, métodos de carga y tecnología de terminación de carga. Se proporciona un circuito de ejemplo completo para lograr una carga inteligente de las baterías NIMH a través de puertos USB, y se proporcionan datos de carga.
Características USB
El bus USB puede proporcionar energía para dispositivos electrónicos de baja potencia. La fuente de alimentación del bus está aislada de la red eléctrica y tiene una 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 、 Litio de una sola célula - ION y litio - baterías de polímero
Hoy en día, cuando las baterías de litio se cargan a su capacidad nominal máxima, su voltaje suele ser entre 4.1V y 4.2V. El rango de voltaje de baterías más nuevas y de mayor capacidad actualmente en el mercado está entre 4.3V y 4.4V. Las baterías típicas de litio prismático (li+) y polímero de litio (li poli) tienen capacidades que varían de 600 mAh a 1400 mAh.
Para las baterías de Li+y Li Poly, la curva de carga preferida es comenzar desde la 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 conoce comúnmente como un cargador CCCV. Después de que el cargador CCCV ingresa al modo CV, la corriente de carga de la batería comienza a disminuir. Si se usa una tasa de carga típica de 0.5C a 1.5c para cargar, el cargador cambiará del modo CC al modo CV cuando la batería alcanza el 80% al 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 termina la carga. La curva de carga típica de las baterías de litio se muestra en la figura.
Desde el indicador de caída de voltaje USB, se puede ver que el voltaje de puerto de potencia bajo de baja potencia del cubo de alimentación del puerto no tiene suficiente margen, lo que dificulta cargar la batería a 4.2V. Una pequeña cantidad de resistencia adicional en la ruta de carga puede obstaculizar la carga normal. Las baterías Li+y Li Poly deben cargarse a temperaturas apropiadas.
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 、 Batinas de hidrógeno de níquel (NIMH)
Las baterías NIMH son más pesadas que las baterías de litio y tienen una menor densidad de energía. Las baterías NIMH siempre han sido más baratas que las baterías de litio, pero recientemente la diferencia de precio entre los dos se ha estrechado. Las baterías NIMH tienen dimensiones estándar y pueden reemplazar directamente las baterías alcalinas en la mayoría de las aplicaciones. El voltaje nominal de cada batería es de 1.2V, que alcanzará 1.5V cuando se cargue por completo.
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 la carga de la batería de pequeños dispositivos electrónicos de consumo, un puerto USB es una fuente de energía económica y práctica. Para cumplir completamente 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 gestión de energía, incluido el modo de consumo de bajo consumo de energía y los medios para que el host determine cuándo extraer grandes corrientes del puerto. Aunque los sistemas parcialmente compatibles pueden acomodar la mayoría de los hosts USB, a veces pueden ocurrir resultados inesperados. Solo con una buena comprensión de los requisitos de especificación de USB y las expectativas de carga se puede lograr un buen equilibrio entre la compatibilidad con las especificaciones y la complejidad de la carga.
Tiempo de publicación: 2023 - 12 - 28 17:22:28
