Autor: Frederik Dostal, Field Applications Engineer
Introducción
Si nos preguntamos si es necesario un sistema de gestión de alimentación en sistemas operados por baterías, ¿cuál sería la respuesta? Claramente, sí. Además, la mayoría de los sistemas alimentados a batería, deben implementar un sistema de carga de baterías. En este artículo se describe cómo se diseñan y optimizan las diferentes funciones de gestión de alimentación para sistemas operados por baterías. Se introduce un diagrama que contiene muchas de las funciones necesarias para electrónica alimentada a baterías; y se discuten, además, otros aspectos de la eficiencia en la conversión de potencia.
Actualmente, muchos de los sistemas requieren de alimentación mediante baterías. Las baterías se utilizan para redundancia para cuando se producen cortes de línea, pero sobre todo se utilizan en equipamiento portable que puede ser tan grande como un vehículo eléctrico o tan pequeño como un pinganillo. En todos estos sistemas a baterías, la eficiencia es un punto clave a considerar. Cuanto menor sea la eficiencia de la alimentación, mayor y más cara será la batería a igual tiempo de uso.
Las baterías suministran una tensión diferente en función del estado de carga de la misma, por lo que se requiere convertir dicha tensión de la batería a una tensión estable para la electrónica. La gran mayoría de sistemas actuales se diseñan con baterías recargables y no tanto con baterías primarias no recargables. Por tanto, necesitan de un cargador. En este artículo se explican diferentes arquitecturas de carga de baterías con algunos nuevos e innovadores ejemplos. La eficiencia en la conversión de potencia es un must.
Figura 1. Diagrama simplificado de un sistema alimentado a batería.
La Figura 1 muestra un diagrama simplificado de un sistema alimentado a batería. Si bien la implementación exacta varía para diferentes casos de uso, los bloques funcionales principales que se muestran en este diagrama suelen estar presentes en todos los sistemas. Además, la conexión que alimenta el sistema necesita en muchos casos ser conmutable.
Si la fuente de alimentación es un convertidor AC, desconectar el cable de alimentación es la misma acción que cambiar el interruptor de encendido de la Figura 1 a la posición de apagado. Esta gestión de la ruta de alimentación es necesaria para evitar la pérdida de la valiosa energía de la batería en los circuitos adicionales conectados a la fuente. También en la Figura 1, vemos una posible segunda fuente. El bloque del interruptor de alimentación cambiaría el flujo de energía proveniente de la fuente de alimentación 1 o la fuente de alimentación 2. Por ejemplo, la fuente de alimentación 2 podría ser una fuente de alimentación USB de 5 V.
A continuación, la energía se convierte para cargar de forma segura la batería disponible y/o para alimentar el sistema directamente. Si no hay fuente externa disponible, se utiliza la energía almacenada en la batería con un convertidor conmutado de muy alta eficiencia para alimentar el sistema.
Eficiencia energética en sistemas alimentados por baterías
Por lo general, la carga de una batería no tiene que ser muy eficiente desde el punto de vista energético. En la mayoría de los sistemas alimentados por baterías, excepto en el área de energy harvesting, hay suficiente energía disponible para recargar una batería. Por ejemplo, cuando un teléfono móvil está conectado a un cargador de teléfono, la eficiencia del proceso de carga no suele ser relevante para la mayoría de las personas.
Sin embargo, en los sistemas de energy harvesting, la eficiencia energética durante el proceso de carga es clave. Una mayor eficiencia energética durante la carga se traduce directamente en un harvester más pequeño, lo que reduce el coste del sistema y puede disminuir su tamaño.
Todos los sistemas alimentados por batería valoran la eficiencia de conversión de energía mientras la batería está descargada. Una mayor eficiencia durante este proceso se traduce directamente en una necesidad de menor capacidad de la batería para el mismo tiempo de funcionamiento del sistema.
Es necesario evaluar más a fondo la eficiencia de dicha etapa de conversión de energía de la batería para generar la tensión requerida para la carga. Hay una eficiencia de conversión a altas corrientes de salida, que proporciona información sobre cuánto tiempo puede funcionar un sistema a carga nominal, y también está la eficiencia de consumos pequeños, que es importante en muchos sistemas. Esta es la eficiencia de la conversión de energía en condiciones de corrientes de salida muy bajas. Por ejemplo, cuando observamos un detector de humo alimentado por batería, funciona en la fase de detección de humo, a muy bajas corrientes y durante muchos años hasta el momento en que se detecta humo y suena una alarma. La alarma se activa con una corriente alta, pero la eficiencia energética durante esta fase ya no es tan relevante para la autonomía del sistema, pues habrá que cambiar las pilas.
Para una eficiencia alta en corrientes de salida bajas, la corriente IQ (quiescent) es muy relevante. Cuanto más baja, mejor. Esta corriente junto con el esquema de conmutación determina la eficiencia a corrientes de salidas muy bajas, ya que ambas corrientes son comparables. En la Figura 2, se muestra un gráfico de eficiencia típico con y sin modo de eficiencia para corrientes de salida bajas. El modo de eficiencia a bajas corrientes es la curva azul y el modo de frecuencia fija de conmutación es la curva discontinua negra. Muchos convertidores tienen un modo de este tipo para aumentar la eficiencia a bajas corrientes. Por lo general, la forma en que funciona es que la frecuencia de conmutación constante se detiene y se generan algunos pulsos de conmutación solo cuando la tensión de salida cae ligeramente. Entre esas ráfagas, el convertidor de potencia apaga muchas funciones para ahorrar energía. Estos modos de bajo consumo pueden diferir ligeramente en lo que respecta a la arquitectura exacta de un circuito integrado a otro, pero el resultado de estos modos especiales es siempre una eficiencia muy alta con consumos pequeños.
La diferencia de eficiencia entre ambos modos con una corriente de salida de 1mA es muy grande, como se muestra en la Figura 2. Con el modo de ahorro de energía activado con una carga de 1 mA (incluso con una carga de hasta 100 μA), vemos una eficiencia de conversión de energía del 50%. A una frecuencia de conmutación fija de 600 kHz, sin el modo de ahorro de energía activado, solo obtenemos aproximadamente un 15% de eficiencia.
Figura 2. Eficiencia del regulador buck ADP2370 con modo de ahorro activado o en modo de frecuencia fija.
Retos en la conversión
Como se ha mencionado anteriormente, la eficiencia es muy importante en los sistemas alimentados por baterías. Se pueden elegir cualquier topología existente para un sistema alimentado por batería. Sin embargo, una topología que se utiliza a menudo es el convertidor buck-boost de cuatro interruptores. Muchos sistemas requieren 3.3V de tensión de alimentación y están alimentados por una sola celda de batería de iones de litio. Dichas celdas proporcionan una tensión nominal de 3.6 V, pero cerca su estado descargado, solo proporcionan entre 2.8V y 3.0V. Para obtener el mayor tiempo de funcionamiento del sistema, necesitamos aprovechar la mayor cantidad de energía posible de la batería. En los sistemas de 3.3V, esto nos obliga a bajar de 3.6V a 3.3V cuando la batería de iones de litio está completamente cargada. Sin embargo, cuando la batería está hacia el final de su descarga, es necesario aumentar de 2.8V a 3.3V. Este requisito requiere una fuente conmutada de tipo buck-boost. Existen varios tipos de este tipo de circuitos. Solo por nombrar algunas, las topologías adecuadas incluyen el flyback basado en transformador, los convertidores SEPIC de dos bobinas y el de cuatro conmutadores. Por lo general, se elige el buck-boost de cuatro conmutadores, ya que generalmente ofrece la mayor eficiencia de conversión de energía en comparación con las otras dos topologías.
La Figura 3 el concepto de la topología buck-boost de cuatro conmutadores.
Figura 3. Un ejemplo de un convertidor buck-boost de cuatro conmutadorews como el LT3154.
Es posible evitar el uso de una topología de este tipo, mediante el uso de dos celdas/baterías en serie, de tal forma que aumente la tensión del pack. De esta forma, únicamente se necesitaría una etapa de bajada de tensión (step-down), pero implica un esfuerzo (en coste y tamaño) para añadir esa segunda batería/celda. Además, cargar dos baterías en serie es un poco más complejo y mayor reto que cargar una única. La tensión de salida de dos baterías en serie es de 7.2V, lo que implica el uso de convertidores que soporten tensiones más altas que los típicos 5.5V. Existen en el mercado muchas posibilidades en este sentido, pero hace que el semiconductor del convertidor sea más caro.
Seleccionando el Cargador de Batería Correcto
Existen en el mercado muchos cargadores. Se trata de un dispositivo que proporciona la corriente y tensión de una manera segura para la carga de las baterías. Al seleccionar un circuito integrado para la carga, la primera decisión que se debe tomar es si se va a utilizar un cargador lineal o conmutado. Los cargadores lineales son como los reguladores lineales. Sólo pueden reducir una tensión de entrada y la corriente de entrada y salida, son iguales.
Por ejemplo, si una batería agotada tiene una tensión de 0.8V y la tensión del sistema es de 3.3V, el cargador lineal debe bajar a 2.5 V. Si la corriente de carga es de 1 A, el cargador lineal disipa 2.5W en calor. Si bien esto puede ser posible, imagine un sistema con una tensión de 12 V. En este caso, la potencia disipada asciende a más de 11W. Los cargadores lineales son una opción razonable para aplicaciones con corrientes de carga bajas y una tensión de sistema cercana a la de la batería.
Para el resto de las aplicaciones, se recomienda utilizar cargadores conmutados. La mayoría de los cargadores de baterías disponibles, suelen ser de tipo conmutado. Son fuentes conmutadas clásicas (SMPS) con características especiales para habilitar la carga de baterías. Pueden cargar a tensión o corriente constantes, a veces ambas a la vez, y realiza la carga de manera segura. Puede además incluir un temporizador para detector si la batería está defectuosa o incluso un sensor de temperatura para limitar la temperatura a la que puede cargarse la batería y evitar problemas. Otra de las funciones que está ganando cada vez más adeptos es la comprobación de seguridad que se realiza entre el cargador y el pack de la batería, de tal forma que la batería conectada sea de confianza o autorizada.
La Figura 4 muestra una solución de carga con un SMPS. Es el MAX77985 e implementa un cargador con una fuente SMPS de bajada (step-down) además de un switch de alimentación (power path). El switch es esencial en muchas aplicaciones ya que puede desconectar la tensión de entrada de la batería, una vez ésta ya está cargada para prevenir que la batería se descargue sobre algún circuito de entrada. Esta solución tiene un bus I2C para cambiar y configurar ciertos parámetros del cargador así como para funciones de telemetría. Los interfaces digitales sirven permitan cambiar configuraciones para diferentes tipos y tamaños de baterías, haciendo los cargadores lo más flexibles posible.
Figura 4. Diagrama simplificado de un cargador de batería con MAX77985.
Entre las diferentes características de este cargador, hay una realmente notoria. El switch interno del MAX77985 no solo se utiliza en modo step-down para cargar la batería, sino que tiene la capacidad de aumentar la tensión de la batería a la necesaria por el sistema. De alguna manera, este cargador combina un convertidor junto con un cargador de batería puro.
Los dispositivos alimentados a batería necesitan diferentes funciones. Existen productos en el mercado con funcionalidad básica, mientras otros contienen la mayoría de las funciones existentes en un único integrado. Este tipo de sistemas se llaman circuitos integrados de gestión de potencia (PMICs) y son muy populares en este tipo de aplicaciones por diversas razones. Una de las principales es que los sistemas alimentados a batería generalmente son pequeños y necesitan la máxima integración. Otra razón es que cada integrado independiente, tiene su propia corriente de alimentación (quiescent) que siempre está consumiendo y drenando de la batería. En la mayoría de los casos, esta corriente se reduce al combinar varios convertidores en un único integrado.
La disponibilidad de baterías de litio-ión de gran capacidad ha transformado el mundo de lo sistemas alimentados a batería en los últimos 20 años. Existen infinidad de posibilidades para cargar y descargar esas baterías de manera eficiente. Actualmente, se están llevando a cabo numerosas investigaciones para mejorar la construcción de baterías con la intención de aumentar la capacidad por peso y volumen, así como en cargar más rápido las baterías de manera segura. No se vislumbra el final de las innovaciones en los circuitos integrados de carga y descarga de baterías para mantenerse al día con estos desarrollos de baterías.
