ES2609460T3 - Circuito y método de funcionamiento para una fuente de alimentación eléctrica - Google Patents

Abstract

Un circuito de carga de batería que comprende: un controlador de carga de batería (20) configurado para recibir energía desde un puerto del bus serie universal "USB" externo (12), y suministrar energía de salida a un dispositivo portátil (18) y a una batería recargable (24); estando configurado adicionalmente el controlador de carga de batería para limitar la energía de salida de modo que el dispositivo portátil y la batería recargable no puedan extraer más de una corriente máxima predeterminada disponible desde el puerto USB; y un circuito de detección de tensión (30) configurado para medir una caída de tensión a través del controlador de carga de batería y para responder a la caída de tensión a través del controlador de carga de batería mediante el control de una cantidad de corriente suministrada a la batería recargable de modo que el dispositivo portátil reciba una cantidad predeterminada de energía necesaria para funcionar y la batería recargable reciba el resto de la energía disponible desde el controlador de carga de batería.

Description

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DESCRIPCION

Circuito y metodo de funcionamiento para una fuente de alimentacion electrica Campo tecnico

La presente invencion se refiere en general a cargadores de bateria, y mas espedficamente a un metodo y un aparato para carga de una bateria en un dispositivo de comunicacion portatil desde varias fuentes de alimentacion, incluyendo fuentes de capacidad limitada tal como un nodo de alimentacion integral de un bus de datos de ordenador. Uno de dichos buses de datos de ordenador seria un puerto USB (Universal Serial Bus).

Tecnica antecedente

Con la revolucion de los ordenadores y de la information, los dispositivos electronicos portatiles tales como telefonos celulares, asistentes digitales personales (PDA), buscas digitales y dispositivos de correo electronico inalambrico, estan convirtiendose en muy comunes. Estos dispositivos portatiles estan alimentados normalmente por baterias internas que deben recargarse periodicamente por una fuente de energia externa, usando un cargador de baterias. Los cargadores de baterias reciben en general energia desde una toma de la red electrica de CA estandar y convierten la energia de CA en una baja tension de CC para la recarga de la bateria.

Los cargadores de baterias de estos dispositivos portatiles tambien emplean generalmente un “controlador de carga de la bateria” para gestionar la carga de la bateria. Dichos controladores de carga de bateria ofrecen funcionalidades tales como:

o regulation de los niveles de tension y corriente para la bateria recargable;

o proporcionar senales de estado al procesador principal del dispositivo portatil, o la operation de uno o mas LED (diodos emisores de luz) de estado;

• proporcionar circuitos de protection tales como de sobrecorriente, baja tension, polaridad inversa y protection por sobretemperatura; y

• desconectarse a si mismos cuando la fuente de carga se haya retirado, para minimizar el drenaje de la bateria.

Los paquetes de baterias de ion de litio, por ejemplo, deben cargarse de acuerdo con un algoritmo relativamente estricto de modo que pueda cargarse totalmente, cargarse y recargarse muchas veces, y funcionar con seguridad. Este algoritmo de carga procede generalmente como sigue:

1. en una primera etapa, se acomete cualquier caida de tension severa o condiciones de descarga profunda. Durante esta etapa de precarga, la tension de la bateria se lleva suavemente hacia arriba desde un estado muy bajo o muerto, normalmente a una tasa de 1/10 de la corriente de carga regular;

2. a continuation, se carga la bateria con un nivel de corriente constante, hasta que la tension a traves de la bateria alcanza su nivel de diseno (digamos, 4,2 V CC). En este punto la bateria solo estara del 40 al 70 % de su capacidad total; y a continuacion

3. la carga de la bateria continua a un nivel de tension constante (de nuevo, digamos 4,2 V CC) hasta que este totalmente cargada. En este modo, la corriente extraida por la bateria caera a lo largo del tiempo. Cuando la corriente de carga ha caido al 10 % de la tasa de carga inicial, o en algun otro limite determinado por el fabricante de la bateria, la carga se detiene.

La carga debe detenerse en este punto debido que no es aceptable goteo de carga para las baterias de ion de litio; una sobrecarga danaria las celdas, posiblemente retirando el plateado de litio y convirtiendose en peligroso.

Por ello, las baterias de litio son casi siempre usadas invariablemente con controladores de carga de baterias disenados para sus parametros de carga particulares.

Desafortunadamente, la mayor parte de los controladores de carga de bateria se disenan para extraer desde una fuente de alimentacion de alta capacidad con una tension estable que no se debilitara apreciablemente bajo sus demandas de corriente. Este es un problema cuando se intenta usar una fuente de alimentacion con capacidad limitada. Algunos buses de datos de ordenador, tal como los buses USB (universal serial bus) pueden usarse para proporcionar energia a dispositivos externos, pero aunque dichas fuentes de alimentacion son muy convenientes, tienen una capacidad limitada.

La mayoria de los ordenadores personales (PC) y ordenadores portatiles disponibles hoy en dia, estan provistos con uno o mas puertos USB como componentes estandar. Los puertos USB se disenan para soportar comunicacion de datos a velocidades de hasta 12 megabits y 1,5 megabits por segundo, soportar instalacion de software PnP (Plug and Play) y soportar conexion en caliente (es decir los dispositivos pueden conectarse y desconectarse mientras el PC esta en ejecucion). Por ello, los puertos USB se usan frecuentemente como interfaces para conectar teclados, ratones, consolas de juego, impresores y escaneres a los PC.

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Asimismo, los puertos USB son operativos para suministrar una energia limitada a los dispositivos externos conectados. La especificacion USB estandar requiere que los puertos USB de “alta ene^a” sean operativos para proporcionar una tension de alimentacion de 4,75 - 5,25 V CC y suministrar corriente de al menos 500 mA (frecuentemente denominadas como “cinco unidades”). La especificacion para puertos USB de “baja ene^a” requiere una tension de alimentacion de 4,40 - 5,25 V CC y una corriente de 100 mA (denominada como “una unidad”).

Los puertos USB parecerian ser una eleccion muy logica como fuente de alimentacion para dispositivos portatiles por un cierto numero de razones. Para comenzar, los puertos USB suministran una alimentacion de tension en CC que esta frecuentemente muy proxima a, o justamente por encima de, la tension de la bateria que esta siendo cargada (muchos dispositivos portatiles tienen tensiones de bateria en el intervalo de 2,5 - 4,5 V CC). Asimismo, muchos dispositivos portatiles pueden ser operativos para subir y descargar datos o software, a y desde un ordenador personal o un ordenador portatil (frecuentemente denominado como un “syncing”). De ese modo, muchos dispositivos portatiles estan alimentados con estaciones de conexion tal como la mostrada en el diagrama del sistema de la Figura 1. Este es un sistema muy directo, dado que la estacion de conexion 10 se conecta a un puerto USB 12 de un ordenador personal (PC) 14 a traves de un simple cable y conectores USB 16. El dispositivo portatil 18 solo necesita depositarse sobre la estacion de conexion 10 y se realiza la conexion electronica al PC 14.

Si el puerto USB 12 tiene energia suficiente, tiene mucho mas sentido usar el puerto USB 12 para suministrar energia de carga al dispositivo portatil 18, en lugar de usar un cargador de CA separado. Por ejemplo:

1. una fuente de alimentacion USB tendra menor ruido electrico que un cargador de CA, a menos que el cargador de CA incorpore grandes condensadores o inductores de CC;

2. un cargador de CA requiere o bien un pesado transformador o bien una cara fuente de alimentacion conmutada, nada de lo cual se requeriria si se usara la alimentacion USB;

3. en la implementacion de la fuente de alimentacion USB, el cable y conectores 16 usados para conectar la estacion de conexion 10 al PC 14 se usarian para llevar tanto energia como datos, de modo que no se requeriria en absoluto ningun componente extra. Por el contrario, habria de proporcionarse una fuente de alimentacion de CA como un componente fisico separado del cable de datos USB; y

4. no hay normas universales para fuentes de alimentacion de CA; una fuente de alimentacion de CA puede requerir 120 V CA o 240 V CA y puede proporcionar 3, 4,5, 6, 7,5 o 9 V CC de salida, con uno de un gran numero de diferentes posibles conectores y polaridades. Un viajero que olvide su fuente de alimentacion de CA en casa, puede no ser capaz de hallar sustituto adecuado.

Por el contrario, la norma USB esta ampliamente aceptada, de modo que un viajero cuyo dispositivo movil este equipado con un conector USB tendra una mucha mayor oportunidad de hallar una fuente de carga.

Por ello, seria claramente deseable usar la energia del USB para cargar dispositivos portatiles. Desafortunadamente sin embargo, como se ha observado anteriormente, los puertos USB solo pueden proporcionar una energia limitada. El problema queda claro cuando se considera el diagrama de bloques de la Figura 2. En este escenario, el dispositivo portatil 18 y el controlador de carga de bateria 20 se conectan al puerto USB 12 en paralelo, dado que bajo condiciones de carga el interruptor de control 22 estara conmutado de modo que el dispositivo portatil 18 extraera alimentacion del puerto USB 12. Cuando la bateria 24 haya quedado totalmente cargada por el controlador de carga de bateria 20 y la alimentacion del puerto USB 12 retirada, el interruptor de control 22 se conmuta a continuacion de modo que el dispositivo portatil 18 extrae la energia de la bateria 24. Este tipo de circuito puede trabajar en algunas circunstancias, pero no es aceptable en donde la fuente de energia tiene una capacidad limitada.

Si se intenta alimentar el dispositivo portatil 18 y el controlador de carga de bateria 20 simultaneamente desde la tarjeta USB 12, es bastante probable que se coloque una carga demasiado grande sobre la tarjeta USB 12. La carga excesiva sobre la tarjeta USB 12 puede dar como resultado una situation de baja tension o baja corriente que daria como resultado un cierto numero de problemas indeseables tales como: la bateria 24 no quede apropiadamente cargada o quede permanentemente danada, o el dispositivo portatil 18 funcione erraticamente o quede danado.

Como alternativa, la bateria 24 y el dispositivo portatil 18 pueden disponerse tal como se muestra en la Figura 3 de modo que queden ambos alimentados por el controlador de carga de bateria 20. Aunque dicho diseno reduciria la extraction de energia total por parte del dispositivo portatil 18 y la bateria 24 en combination, hay un cierto numero de otros problemas:

1. de modo mas importante, no haya un control sobre la energia total que se extrae desde el puerto USB 12;

2. la energia extraida por el dispositivo portatil 18 podria perturbar la protection cuidadosamente disenada y mecanismos de carga del controlador de carga de bateria 26;

3. el dispositivo portatil 18 y la bateria 24 compiten arbitrariamente por la energia disponible, de modo que puede afectar adversamente al funcionamiento entre ellos. Si la tension disponible cae demasiado bajo, o esta disponible una corriente insuficiente, ambos dispositivos pueden funcionar erraticamente, o fallar todos a la vez;

4. Si la bateria 24 esta en un estado de descarga profundo cuando se conecta la energia, la tension al dispositivo portatil 18 caera al nivel de la bateria profundamente descargada. Normalmente, los dispositivos portatiles 18 no

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seran operativos en dicho nivel de baja tension; y

5. la corriente que debe suministrarse a la bateria 24 y al dispositivo portatil 18 debe disiparse por el controlador de carga de bateria 20 o un semiconductor externo en alguna forma. Cuanta mas energia se disipa, mayor debe ser el controlador de carga de bateria 20 (o el semiconductor externo controlado por el controlador de carga de bateria 20). Generalmente, la capacidad de un semiconductor para disipar energia varia con su area superficial, por ello, si la disipacion de energia se duplica, el semiconductor debe incrementar en cuatro veces el area superficial.

Podrian desarrollarse nuevos controladores, dedicados de carga de bateria que se disenen para funcionar con una fuente de alimentacion USB y un dispositivo portatil 18, lo que seria una solucion cara y complicada. Cada controlador de carga de bateria tendria que disenarse para adaptarse a una pareja particular de dispositivo portatil 18 y bateria 24 debido a que tendria que tener en cuenta los requisitos de consumo de energia de ambos componentes.

Existe por tanto una necesidad de un metodo y aparato que permita que buses de datos de ordenador estandar tales como los puertos USB alimenten simultaneamente dispositivos portatiles 18 y sus circuitos de carga de bateria 20 asociados sin tener que disenar nuevos controladores de carga de bateria con aplicaciones muy especificas. Este diseno debe proporcionarse con consideration a los estrechos parametros de operation de los circuitos de carga de bateria, la limitada area de tarjeta fisica en dispositivos portatiles, y la fiabilidad y complejidad del diseno.

El documento US 6252375 divulga un sistema de gestion de la energia e incremento de corriente y metodo y aparato cargador de baterias para un periferico de ordenador. El metodo de incremento de corriente es para su uso con un subsistema periferico alimentado por ordenador que incluye una carga dinamica, requiriendo la carga dinamica mayor energia, de vez en cuando, que la energia disponible especificada desde el ordenador y el bus o interfaz interconectado especificado. Este metodo incluye el uso de un nodo de energia que suministra energia segun sea necesario desde la bateria a la carga dinamica, de modo que la carga dinamica variable no exceda la energia especificada disponible desde el ordenador y bus interconectado. El metodo incluye la supervision de la corriente de carga, y la inyeccion de corriente dentro del nodo de energia para incrementar la capacidad de control de corriente del ordenador y bus periferico. Preferentemente, la inyeccion se realiza selectivamente basandose en el resultado de la supervision, por ejemplo solamente cuando la corriente de carga detectada esta aproximandose a un nivel de umbral definido. Adicionalmente, la carga de bateria se realiza solamente cuando se determina que no se esta extrayendo corriente a traves de la bateria para evitar distorsion en la lectura de tension. El aparato es tambien para la carga selectivamente de la bateria a partir de la corriente en el bus durante periodos de pausa relativa de carga dinamica periferica. El aparato incluye medios para la determination de la capacidad de carga de la bateria de acuerdo con criterios de capacidad de carga predefinidos, y un circuito de carga de bateria sensible a los medios de determinacion para cargar la bateria selectivamente solo durante tiempos en los que la corriente de carga periferica esta limitada y hay suficiente corriente disponible en el bus desde el ordenador para recargar la bateria.

Divulgacion de la invencion

Es por lo tanto un objetivo de la invencion proporcionar un metodo y aparato novedosos que permitan que se alimenten controladores de carga de bateria estandar desde puertos de datos de ordenador estandar y otras fuentes de energia, que obvie o mitigue al menos una de las desventajas de la tecnica anterior.

Un aspecto de la invencion se define ampliamente como un circuito de carga de bateria que comprende: un interruptor de semiconductor que tiene una salida conectada a una bateria recargable; un controlador de carga de bateria para la reception de energia desde una fuente externa, y suministro de energia de salida a un dispositivo portatil y la entrada al interruptor de semiconductor, siendo controlable la salida de corriente del controlador de carga de bateria; y un circuito de detection de tension para la medicion de la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria; y la respuesta a la caida de tension a traves del controlador de carga de la bateria mediante la modulation del interruptor de semiconductor para reducir la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable cuando la caida de tension es demasiado grande; mediante lo que se controla la energia total disipada por el controlador de carga de bateria, recibiendo el dispositivo portatil la energia que necesita para funcionar y recibiendo la bateria recargable cualquier energia disponible adicional.

Otro aspecto de la invencion se define como un circuito de carga de bateria que comprende: un controlador de carga de bateria conectado a la fuente de alimentacion externa y la electrification de una bateria y un dispositivo portatil, y que tiene un ajuste de corriente maxima; y un circuito de regulation para la deteccion de la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria, y la modulacion de la corriente a la bateria para mantener la energia disipada por el controlador de carga de bateria por debajo de un nivel predeterminado.

Un aspecto adicional de la invencion se define como un metodo para carga de una bateria de un dispositivo portatil a traves de una fuente de alimentacion externa, comprendiendo el metodo las etapas de: conectar la entrada de un controlador de carga de bateria a la fuente de alimentacion externa; conectar la salida del controlador de carga de bateria, en paralelo, al dispositivo portatil y a la entrada de un interruptor de semiconductor; conectar la salida del interruptor de semiconductor a la bateria; controlar la salida de corriente del controlador de carga de bateria; medir la

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caida de tension a traves del controlador de carga de bateria; y responder a la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria mediante la modulacion del interruptor de semiconductor para reducir la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable cuando la caida de tension es demasiado grande; mediante lo que se controla la energia total disipada por el controlador de carga de bateria, recibiendo el dispositivo portatil la energia que necesita para funcionar y recibiendo la bateria recargable cualquier energia disponible adicional.

Un aspecto adicional de la invencion se define como un circuito de fuente de alimentacion que comprende: medios para la medicion de la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria que proporciona energia a un dispositivo portatil y a la entrada de un interruptor de semiconductor, en paralelo; medios para controlar la salida de corriente del controlador de carga de bateria; y medios para responder a la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria mediante la modulacion del interruptor de semiconductor para reducir la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable cuando la caida de tension es demasiado grande; mediante lo que se controla la energia total disipada por el controlador de carga de bateria, recibiendo el dispositivo portatil la energia que necesita para funcionar y recibiendo la bateria recargable cualquier energia disponible adicional.

Breve descripcion de los dibujos

Estas y otras caracteristicas de la invencion seran mas evidentes a partir de la descripcion que sigue en la que se hace referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 la Figura 2 la Figura 3 la Figura 4 la Figura 5 la Figura 6

las Figuras 7A, 7B y 7C la Figura 8

presenta una disposition fisica de un ordenador personal conectado a un dispositivo electronico portatil de una manera conocida en la tecnica;

presenta un diagrama de bloques electrico de un circuito de carga de bateria y un dispositivo portatil que esta alimentado en paralelo;

presenta un diagrama de bloques electrico de una bateria y dispositivo portatil estando ambos alimentados por un controlador de carga de bateria;

presenta un diagrama electrico esquematico de un circuito de carga de bateria en una amplia realization de la invencion;

presenta un diagrama de tiempos de curvas de tension, corriente y energia para la carga de una bateria de ion de litio en una realizacion de la invencion; presenta un diagrama electrico esquematico de un circuito de carga de bateria en una realizacion simple de la invencion;

presentan un diagrama electrico esquematico de un circuito de carga de bateria en una realizacion global de la invencion;

presenta un diagrama de flujo de un metodo de funcionamiento de un circuito de carga de bateria en una realizacion de la invencion.

Mejor modo de llevar a cabo la invencion.

Como se ha explicado anteriormente, no hay actualmente ningun diseno efectivo que sea capaz de alimentar tanto un dispositivo portatil 18 como una bateria recargable 24 a partir de una fuente de alimentacion con capacidad limitada.

Un circuito que supera cierto numero de problemas en la tecnica, se presenta como un diagrama de bloques en la Figura 4. Esta figura presenta un circuito de carga de bateria construido alrededor de un controlador de carga de bateria 20 estandar. En esta realizacion de la invencion, el controlador de carga de bateria 20 recibe alimentacion desde una fuente externa (Vbus) y alimenta al dispositivo portatil 18 y bateria o baterias recargables 24 en paralelo, pero la alimentacion a la bateria 24 se realiza a traves de un interruptor de semiconductor Q1. El control del flujo de corriente a traves del interruptor de semiconductor Q1 se modula por un circuito de detection de tension 30 que mide la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20 y reduce el flujo de corriente a traves del interruptor de semiconductor Q1 a la bateria 24 cuando la caida de tension es demasiado grande.

El circuito de deteccion de tension 30 permite que el consumo de energia total al circuito se reduzca debido a que la salida de corriente del controlador de carga de bateria 20 es controlable, y la energia es el producto de la caida de tension por la corriente. La mayor parte de los controladores de carga de bateria 20 conocidos en la tecnica estan provistos con alguna clase de control de corriente maxima. En las realizaciones de ejemplo descritas en el presente documento a continuation, por ejemplo, la salida de corriente maxima del controlador de carga de bateria 20 se fija simplemente a traves de una resistencia externa R1, aunque, por supuesto, la corriente de salida podria controlarse tambien en muchas otras formas (por ejemplo, siendo programable, especifica de la aplicacion, o fijada a traves de alguna forma de senal de entrada analogica o digital).

Tambien en las realizaciones descritas en el presente documento a continuacion, el circuito de deteccion de tension 30 en si se proporciona a traves de un amplificador operacional (op amp). Asi, la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20 podria medirse simplemente mediante la comparacion de la tension en la entrada y salida del controlador de carga de bateria 20, tal como se muestra en la Figura 4. Alternativamente, podria tomarse una entrada al op amp desde la salida del controlador de carga de bateria 20, mientras que la otra podria

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ser alguna tension de referencia Vref; o bien emulando la entrada Vbus del controlador de carga de bateria 20, o siendo escalada en alguna forma.

Asi mediante la supervision de la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20 y conociendo la corriente maxima que puede proporcionar, se sabe la energia total. Usando esta informacion para modular la energia de la bateria 24, puede controlarse la energia total disipada por el controlador de carga de bateria 20.

Tambien, debido a que este circuito modula la energia disponible para la bateria 24, este circuito puede disenarse para asegurar que el dispositivo portatil 18 recibe la energia que requiere para el funcionamiento, mientras que la bateria recargable 24 solo recibe energia cuando hay disponible un exceso de capacidad.

La energia total consumida puede modularse por lo tanto para permanecer dentro de los limites de la energia disponible desde el puerto USB 12, y dentro del intervalo de energia en el que el controlador de carga de bateria 20 es capaz de disipar. Esto permite que se usen controladores de carga de bateria 20 “de estanteria”, en lugar de tener que disenar controladores de carga de bateria 20 nuevos y mayores que puedan disipar energia suficiente para alimentar tanto el dispositivo portatil 18 como la bateria 24. Tambien permite que el controlador de carga de bateria 20 o el elemento de control externo se mantengan fisicamente pequenos.

Con este mecanismo de modulacion de energia, ya no hay competition de energia entre el dispositivo portatil 18 y la bateria 24. La bateria 24 recibe energia solamente si hay mas energia disponible que la que requiere el dispositivo portatil 18. Esto puede parecer inconsistente con los requisitos de carga de baterias tales como celdas de litio, pero los parametros del circuito pueden disenarse facilmente para adaptarse a ellas.

Como se ha hecho notar anteriormente, los controladores de carga de bateria se disenan normalmente para adaptarse a una bateria o familia de baterias en particular. Por ejemplo, las baterias de litio se cargan en tres fases:

1. resolver condiciones de descarga profunda;

2. carga a corriente constante hasta que la bateria alcanza un cierto nivel de tension; y a continuation

3. carga a tension constante hasta que la corriente de carga cae a un cierto punto.

Durante el manejo inicial de las condiciones de descarga profunda, se proporciona comparativamente poca corriente a la bateria (normalmente 1/10 de la corriente de carga). El circuito de la invention se disena por lo tanto de modo que raramente se denegara a la bateria esta demanda muy modesta de energia.

La fase de carga a corriente constante extrae la mayor cantidad de energia, pero las celdas de litio no sufren si la corriente de carga se modula o se somete a ciclos durante esta fase. Por ello, es esta la fase que es alterada en su mayor parte por el circuito de la invencion. Si el dispositivo portatil 18 se usa una gran cantidad durante esta fase, el unico impacto negativo sera que la carga de la bateria 24 dura mucho mas.

Durante la fase de carga a tension constante, la corriente maxima es menor que la de la fase a corriente constante y cae continuamente cuando la bateria 24 queda totalmente cargada. Mas importante, la tension de la bateria 24 permanece en un nivel constante, y maximo, durante esta fase, de modo que la energia total disipada por el controlador de carga de bateria 20 sera mas baja durante la fase a tension constante, que lo que fue durante la fase a corriente constante.

Como se describira con mayor detalle en el presente documento a continuacion, el circuito de detection de tension 30 se disena para saturar el interruptor de semiconductor Q1 cuando se alcanza el nivel de tension de carga completa (es decir el interruptor de semiconductor Q1 no restringe el flujo de corriente en absoluto en este punto).

Se muestra en la Figura 5 el cambio en la disipacion de energia a lo largo del tiempo. Se muestran cuatro curvas en esta figura: la tension de la bateria 24, etiquetada Vbat, la corriente de carga, etiquetada Icarga, la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20, etiquetada VcaIda y la energia total disipada, etiquetada PBCC. Observese que VcaIda varia inversamente con Vbat y que la energia disipada por el controlador de carga de bateria 20, es el producto de Icarga y VcaIda.

Claramente, durante la fase de acondicionamiento, la tension de bateria Vbat es demasiado baja, de modo que VcaIda sera alta. Sin embargo, Icarga es tambien baja durante esta fase (aproximadamente 1/10 de ImAxcarga, la corriente de carga maxima) de modo que la energia total disipada es modesta.

Durante la fase a corriente constante, la corriente de carga se eleva hasta ImAxcarga, pero la tension de la bateria, Vbat, cae cuando la bateria queda cargada, de modo que la energia disipada por el controlador de carga de bateria 20 cae a lo largo del transcurso de esta fase.

Cuando se inicia la fase a tension constante, la tension de bateria ha alcanzado su nivel totalmente cargado, Vplena-carga, de modo que VcaIda esta en un minimo. Cuando Icarga cae a lo largo del transcurso de esta fase, la energia disipada tambien continua cayendo (notese de nuevo, que la energia disipada es el producto de Icarga y

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Claramente entonces, el nivel de ene^a mayor se extrae durante la fase a corriente constante. Como se ha hecho notar anteriormente, la carga de la bateria 24 puede tratarse en ciclos durante esta fase, de modo que la restriccion en la corriente a la bateria 24 durante esta fase, es permisible.

Este circuito tambien permite al usuario arrancar su dispositivo portatil 18 rapidamente debido a que a^sla la bateria 24 del dispositivo portatil 18. Si la bateria 24 y el dispositivo portatil 18 se conectaran cuando el controlador de carga de bateria 20 intenta acondicionar una bateria 24 profundamente descargada, la tension en el dispositivo portatil 18 caeria hasta el nivel de bateria 24 profundamente descargada. Normalmente este seria demasiado bajo para un funcionamiento apropiado del dispositivo portatil 18. Con el circuito de la invencion, la bateria 24 y el dispositivo portatil 18 estan aislados por Q1. Incluso si la bateria 24 esta en un estado de descarga profunda, el dispositivo portatil 18 aun vera una tension que es suficientemente alta para un funcionamiento apropiado.

El tiempo para el arranque del dispositivo portatil 18 esta limitado solamente por el tiempo disponible del controlador de carga de bateria 20 en si. Una cifra tipica para este comienzo es 1 ms - 4 ms, aunque podria variar de un controlador de carga de bateria 201 a otro.

Por ello, el uso del circuito de la Figura 4 permite a buses de datos de ordenador y fuentes de alimentacion similares con capacidad limitada, suministrar simultaneamente energia a dispositivos portatiles y baterias descargadas.

Se describiran ahora un cierto numero de diferentes realizaciones de la invencion. Cada realizacion usa un numero muy pequeno de componentes simples, fiables. De ese modo, como conjunto, la invencion proporciona una solucion efectiva que es barata, fiable y consume un minimo espacio de tarjeta en un dispositivo portatil.

Implementacion basica

La Figura 6 presenta un diagrama electrico esquematico de un circuito de carga que emplea cuatro componentes principales: un controlador de carga de bateria 50 NCP1800, un semiconductor Q2, que sirve como un elemento de control externo para el controlador de carga de bateria 50, un amplificador operacional (opamp) 52, y un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-oxido-silicio) Q3, que controla la corriente a la bateria recargable 24.

El controlador de carga de bateria 50 NCP1800 es un controlador de carga de baterias de ion de litio, de celda unica estandar como es conocido en la tecnica. La corriente maxima que este dispositivo proporcionara se regula por la resistencia entre el terminal ISEL y tierra. En este caso, se usan tres resistencias R2, r3 y R4 para fijar los niveles de corriente maxima para diferentes condiciones de funcionamiento. La condicion por omision es que solo estan disponibles 100 mA (USB de baja potencia), lo que establece el valor para la resistencia R2. Si se detecta que el dispositivo esta conectado a una fuente USB de alta potencia, entonces la puerta del MOSFET Q4 se energizara, y la resistencia entre ISEL y tierra se fijara por la resistencia de R2 y R3 en paralelo.

De modo similar, si se detecta que la fuente de energia para el circuito tiene incluso mas energia disponible (un enchufe a CA o un adaptador de coche, por ejemplo), entonces se energizara el MOSFET Q5 de modo que la resistencia entre ISEL y tierra se fijara por la resistencia de R2 y R4 en paralelo. El circuito de la Figura 6 estara incluido normalmente en los dispositivos portatiles 18 en si, o en la estacion de conexion 10, de modo que deberia estar tambien operativo con dichas alimentaciones de alta capacidad energia.

Estan disponibles las notas de aplicacion del fabricante del controlador de carga de bateria 50 NCP1800 lo que ayudara al disenador al establecimiento de los parametros y valores especificos para las resistencias R2, R3 y R4 y la transistor de control Q2.

La parte de deteccion de tension de este circuito es proporcionada por el op amp 52, junto con las resistencias R5 y R6, y el condensador C1. Este circuito supervisa la tension en el lado de colector de Q2 (a traves del divisor de tension R5 y R6), y lo compara con un nivel de referencia (en este caso, Vref = +3,3 V). Si la tension en el lado del colector de Q2 cae, entonces la caida de tension a traves de Q2 se eleva y la energia que debe disipar se eleva. Para reducir la energia que debe disiparse, el op amp 52 restringe la corriente a traves de Q3 incrementando su resistencia de drenaje a fuente.

Observese que Vref puede proporcionarse simplemente desde Vbus y un regulador de tension. Vref se usa como una entrada al op amp 52 en lugar del Vbus debido a que el regulador proporcionara una tension de salida constante, mientras que Vbus tiene un intervalo amplio que hace el diseno mas diffcil. Los valores de las resistencias R5 y R6 se establecen simplemente por la necesidad de escalar el valor de Vbus al valor de Vref.

Tambien, observese que el condensador C1 se incluyen en el circuito de modo que suavice las fluctuaciones y para impedir la oscilacion.

Como se ha descrito anteriormente, este circuito permite que el dispositivo portatil 18 extraiga energia a traves de

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Q2, sin provocar que las extracciones combinadas del dispositivo portatil 18 y la bateria ene^a de Q2. Cuando el dispositivo portatil 18 extrae energia, la tension en el lado corriente a traves de Q3 se estrangula de un modo lineal.

La disipacion de energia debe disenarse para el escenario del peor caso. Por ejemplo, maximo son los siguientes:

• hay disponible hasta 0,85 A;

• una entrada de tension podria ser tan alta como 6 V; y

• la precarga de la bateria 24 esta completa a 3,0 V (que es donde se entrega la corriente de carga mas alta a la bateria, tal como se muestra en la Figura 5);

entonces (6 V - 3 V) * 0,85 A = 2,55 W de energia que se disiparia por el elemento de control Q2 externo (notese que en los circuitos que no usan dicho elemento, toda esta energia se disiparia por el controlador de carga de bateria 50).

Este elemento de control Q2 externo debe disipar el calor generado por la corriente que fluye a traves de el. Cuanta mas energia se disipa, mayor es el tamano fisico que debe tener este elemento de paso; generalmente, el area superficial que requiere un dispositivo, se eleva con el cuadrado de la energia a ser disipada. Esto es, si se duplica la energia, se requiere un transistor con cuatro veces el area superficial. Los tamanos de los transistores estan normalizados, de modo que la realizacion preferida de este circuito se disena para emplear encapsulados SOT-23 (o super SOT-6), que son capaces de disipar hasta 1,6 W. El siguiente tamano es SOT-223, que es considerablemente mayor con el doble de disipacion de energia.

Como se ha hecho notar anteriormente, la estrangulacion de energia a la bateria 24 se realiza de modo que la corriente siempre satisface las necesidades del dispositivo portatil 18 y cualquier corriente restante (diferencia entre la corriente de entrada y la corriente al dispositivo portatil 18) se proporciona a la bateria 24. Por ejemplo, supongamos que el circuito se conecta a un puerto USB de alta potencia (estan disponibles 500 mA) y a un dispositivo portatil 18 tal como un dispositivo portatil Blackberry™. Cuando la Blackberry cae a reposo, puede requerir solo 0,3 mA - 0,7 mA de modo que el balance de la corriente disponible (499,3 mA - 499,7 mA) puede proporcionarse a la bateria 24. Una vez que despierta el Blackberry, lo que hace periodicamente para realizar trabajos domesticos, extrae digamos 30 mA - 70 mA, dependiendo de lo que hace. En este punto, la bateria 24 recibe 430 mA - 470 mA. El analisis tiene lugar cuando el Blackberry ha de recibir o transmitir algunos datos, o realizar alguna otra tarea. En cada caso, la energia a la bateria 24 se auto-ajusta dinamicamente.

Si hay disponible una energia limitada, es deseable tambien cortar los componentes de consumo de alta potencia, preservando energia solamente para el procesador. Esto se realiza facilmente mediante la conexion de solamente el procesador y memoria del dispositivo portatil 18, a Q2 tal como se muestra en la Figura 6, y conectando otros consumidores de alta potencia al lado de bateria de Q3. Como resultado, si estamos funcionando con una fuente de corriente limitada (tal como un USB de baja potencia de 100 mA) y se enciende un componente de corriente excesiva tal como un vibrador (normalmente 120 mA) o una retroiluminacion (normalmente 150 mA), la salida de tension desde Q2 comenzaria a caer, provocando que Q3 incremente sus valores de resistencia y preserve la corriente necesitada por el procesador.

Implementacion completa

El diseno presentado en las Figuras 7A a 7C usa los mismos circuitos basicos que en la Figura 6, pero anade varios elementos que proporcionan ventajas adicionales. Estas ventajas incluyen las siguientes:

• la bateria puede cargarse con una tension de entrada que este justamente por encima del nivel de la bateria;

• el arranque del dispositivo portatil 18 cuando la bateria esta muerta o no esta presente, es diferente del de la Figura 6;

• se mejora el manejo de fallos de entrada desde la fuente de alimentacion externa; y

• contrariamente a las instrucciones del fabricante del controlador de carga de bateria usado en esta implementacion, los terminales VCC e IN se alimentan por separado, para evitar fugas por retroceso de tension y problemas de malfuncionamiento energiales en el controlador de carga de bateria.

Los parametros de diseno especificos para esta realizacion de la invencion pueden resumirse como sigue:

1. capacidades de carga a corriente constante, a tension constante (segun se requiere para la carga de baterias de ion de litio);

2. seleccion de corriente para fuentes de alimentacion de 100 mA, 500 mA y 750 mA;

3. funcionamiento del dispositivo portatil 18 cuando la bateria recargable 24 esta baja, muerta o no presente;

4. arranque y operacion del dispositivo portatil 18 en menos de 100 ms, en los casos en que la bateria 24 no esta presente o esta muerta;

5. cumplimiento con el modo de operacion de USB suspendida (el sistema deberia extraer menos de 500 |jA);

24 excedan la capacidad de de colector de Q2 cae y la

si los parametros de diseno

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6. proteccion de sobretension por encima de 5,8 V hasta un mmimo de 10 V;

7. proteccion contra cortocircuitos en el conector de bateria;

8. permitir la carga con la tension de entrada tan baja como necesite el dispositivo portatil 18 para su funcionamiento seguro;

9. tension en el intervalo de 3,3 V - 3,6 V para la resistencia de polarizacion a la fuente en la linea D+;

10. proporciona medios para conectar y desconectar la tension a la resistencia de polarizacion a la fuente en la linea D+;

11. indication de presencia de la bateria; y

12. proporciona el estado del controlador de carga de bateria.

Sigue la description general de esta implementation completa de la invention:

El circuito de las Figuras 7A - 7C se centra alrededor del controlador de carga de bateria de ion de litio bq24020 de Texas Instruments, etiquetado como U909 en la Figura 7C. Este controlador de carga de bateria proporciona los modos de corriente constante y tension constante requeridos para cargar celdas de ion de litio, y soporta limites de corriente programables externamente. Su UVLO (umbral de corte de tension baja) se proporciona por el comparador PFI/PFO (U908) (TPS3103E15 de Texas Instruments) con referencia, y su umbral se fija por los divisores de resistencia de la entrada VBUS. U908 se usa tambien para garantizar la operation de arranque inicial del U909 con un minirno de 100 ms. Esto proporciona medios para identificar cuando se funciona con bateria baja, muerta o sin ella. Se proporciona proteccion de sobretension (OVP) por el U912 que se fija a ~5,8 V. El estado de carga es proporcionado por el controlador de carga de bateria U909, que indica si el controlador esta o no proporcionando corriente al sistema. La tension de la resistencia de polarizacion a la fuente de D+ es proporcionada por U901 (un regulador de caida de tension, TK71733SCL de Toko) y su capacidad de conmutacion a traves de Q907. La misma tension se usa tambien para alimentar los componentes que se usan solamente cuando esta disponible energia externa a traves de VBUS (U906, U905, etc.).

Se usan un comparador U905 (LMC7111A) y un MOSFET Q908 para elevar la tension del sistema cuando se funciona con bateria baja/muerta o sin bateria. Este bucle cerrado tambien “estrangula” la corriente al sistema en condiciones de no bateria, y bateria baja. Esto sucede debido a que cuando cae la tension L_BAT (debido a la carga del sistema) el U905 actua para conmutar a corte el Q908, dirigiendo mas corriente al sistema (fuera de la bateria).

El comparador U907 proporciona el indicador de estado de presencia de bateria.

La proteccion de cortocircuito del conector de bateria se conecta el modo NO Y (U906) con la funcionalidad de habilitar el cargador, inhabilitando asi automaticamente el controlador de carga de bateria U909 cuando esta presente un cortocircuito. El controlador de carga de bateria U909 reinicia automaticamente la carga si la tension de bateria cae por debajo de un umbral interno, y entra automaticamente en modo reposo cuando se elimina el suministro a VCC.

Teoria de operacion

Observese que las entradas y salidas del circuito de las Figuras 7A - 7C pueden resumirse como sigue:

Serial

Conexion Descripcion

VBUS

A la fuente de energia (USB o cargador) entrada de energia al dispositivo, usada para carga de bateria o funcionamiento del dispositivo

CHRG_EN

Serial de control del sistema habilita/deshabilita el cargador y el suministro de corriente al sistema; estado de inicio: HIZ (la resistencia de polarizacion a tierra hace RST = BAJO, el cargador esta DESCONECtAdO)

CHRG_A

Serial de control del sistema habilita un limite de corriente de 450 mA para el cargador; estado de inicio: BAJO

CHRG_B

Serial de control del sistema habilita un limite de corriente de 750 mA para el cargador; estado de inicio: BAJO

USB_CD

Serial de control del sistema pasa a alto cada vez que el VBUS esta por encima de ~2,1 V

CHRG_FLG

Serial de control del sistema indicador de estado del cargador; estado de inicio: BAJO

VBAT

A la bateria recargable fuente de energia principal para la bateria recargable, estado de inicio: valor de tension de bateria

L_BAT

Al dispositivo portatil proporciona energia al sistema, estado de inicio: nivel de tension de bateria

VBUS, la tension de entrada, se presenta a traves de Q904a al terminal de entrada USB del controlador de carga de

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bateria U909. Se usa Q904 para proteccion de sobretension y es controlado por U912 (deteccion de tension baja de 3,0 V, LMS33460 de National Semiconductor) cuya tension de entrada se proporciona a traves del divisor de resistencias R937 y R925 + R926. Su salida de drenaje abierto mantiene Q904 en saturacion mientras VBUS / (R937 + R925 + r926) * (R925 + R926) < 3,0 V, lo que proporciona una proteccion de sobretension por encima de ~5,8 V.

Mientras esta presente la entrada USB al controlador de carga de bateria U909, el limite de corriente de 100 mA y 500 mA podria seleccionarse a traves de CHRG_B (CHRG_B = BAJO proporciona 100 mA, y CHRG_B = ALtO proporciona 500 mA). La resistencia R941 fija por defecto el nivel logico BAJO en la entrada ISET2 de U909, permitiendo asi un limite de corriente por defecto de 100mA. Esto es importante dado que hace que el sistema cumpla con las especificaciones USB cuando funciona con bateria baja/muerta o sin ella. Un dispositivo USB esta limitado a un funcionamiento a 100 mA, hasta que el dispositivo identifica 500 mA (si el centro del USB soporta esto).

La resistencia R940 proporciona un nivel de entrada bajo por defecto a la puerta de Q905a, lo que la mantiene fuera de saturacion (COrTe) mientras esta en el modo de reposicion y por lo tanto fija la tension de puerta de Q904b a su nivel de fuente (al nivel de la tension VBUS) lo que inhabilita la presencia de VBUS en la entrada AC del controlador de carga de bateria, controlador U909. Las resistencias R932 y R936 son resistencias de polarizacion a la fuente para Q904.

La corriente de carga de 750 mA (usada para fuentes de alimentacion no USB) podria seleccionarse mediante el ajuste de CHRG_A = ALTO, lo que fija Q905a en saturacion (CONDUCCI6N) y a su vez pone asimismo a Q904b en saturacion (CONDUCCI6N), presentando la tension VBUS en la entrada AC del controlador de carga de bateria U909. Como una entrada AC a U909 proporciona anulacion sobre la entrada USB (si la tension en la entrada AC excede 1,5 V de trayecto de entrada-salida de carga se pone por defecto a entrada AC) la corriente de carga se forma ahora mediante el valor de la resistencia R939.

El condensador C925 se usa para impedir que Q904b conduzca debido a su capacidad parasita puerta a drenaje (la capacidad puerta a drenaje podria cargar la puerta, si se polariza a su fuente en el tiempo RC) durante respuestas transitorias rapidas de la tension VBUS, y permite a la puerta cargarse rapidamente al nivel de VBUS manteniendo a Q904b en saturacion. La resistencia R935 se usa para limitar la corriente de descarga de C925 de modo que Q905a no exceda sus limites especificados. R933 es una resistencia de polarizacion a tierra que impide que la entrada AC al controlador de carga de bateria U909 quede flotante. C926 y C927 son condensadores de derivacion de la entrada. Es importante mantener la capacidad de entrada total por debajo de 10 |jF para cumplir con la especificacion de corriente de cresta de arranque USB.

La corriente total que el sistema extrae de VBUS, no deberia superar los 500 jA cuando esta en modo suspendido. Esto se consigue principalmente con una corriente de funcionamiento muy baja del controlador de carga de bateria U909 (normalmente < 100 jA) en el modo de funcionamiento desconectado. Q905b se usa para inhabilitar el elevador de tension LBAT cuando el controlador de carga de bateria U909 no esta proporcionando ninguna corriente a la bateria 24 y/o al dispositivo portatil 18. Hace esto mediante el cortocircuito de la entrada positiva de U905 lo que hace que su salida controle a Q908 en saturacion (conduccion).

U906b se usa como un inversor del indicador CHRG_FLG, simplemente para hacerlo compatible con el software y hardware del resto del sistema. R931 es una resistencia de polarizacion a la fuente para la salida de drenaje abierto CHRG_FLG.

El supervisor del procesador U908 tiene doble funcionalidad. Su nivel de entrada PFI (entrada fallo de alimentacion) se fija por el divisor de resistencias R937 + R925 y R926 de modo que se adapta a la referencia interna del U908 cuando VBUS cae a 3,3 V (o al valor de tension LBAT fijado por el U905 y Q908 cuando se funciona con bateria baja/muerta o sin ella), provocando que su salida de drenaje abierto (salida de fallo de alimentacion - PFO) vaya a Tierra (GND). Esto forzaria al nodo de entrada positivo de U905 al ir a Tierra y poner al Q908 en saturacion (CONDUCCI6N). Este conjunto de circuitos crea un umbral de bloqueo por tension baja (UVLO) para el circuito de elevacion L_BAT. Esto es importante dado que U909 puede funcionar hasta 2,5 V, provocando que su indicador de estado indique suministro de corriente al sistema incluso aunque realmente no lo sea (la bateria 24 desconecta internamente por debajo de 2,5 V). Dicha condicion provocaria que el sistema se reinicie (para niveles de tension de bateria mas bajos que el valor de LBAT minimo preestablecido) dado que el U905/Q908 trataria de mantener la tension LBAT, al valor actual, desconectando la bateria 24 y pensando que el controlador de carga de bateria U909 esta entregando suficiente corriente.

La segunda funcionalidad de U908 es la anulacion de arranque sobre el terminal de entrada de U909-CE, que proporciona energia al sistema en un minimo de 100 ms para iniciar e identificarse apropiadamente en el bus USB. Esto se lleva a cabo mediante el mantenimiento de su salida de drenaje abierto RESET a Tierra antes de que VBUS alcance 2,5 V y que despues de 100 ms. Esto mantiene el controlador de carga de bateria U909 habilitado durante ese tiempo.

El U906a proporciona funcionalidad en modo NO Y de CHRG_EN y presencia de cortocircuito en el conector de

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bateria. Una bateria en cortocircuito inhabilita el controlador de carga de bateria U909 por hardware. Al tener la tension en VBAT, la linea de control CHRG_EN podria habilitar o inhabilitar el controlador de carga de bateria U909 (CHRG_EN = ALTO habilitaria el controlador de carga de bateria U909 poniendo bajo el terminal de entrada MR de U908). R921 proporciona aislamiento desde la bateria y entrada de U906a de modo que el drenaje de corriente este limitado al maximo de 42 |jA incluso aunque U906 cree entradas y salidas de HIZ (alta impedancia) cuando no hay energia presente en su VCC.

R924 proporciona nivel de entrada BAJO por defecto para U906a durante la reposicion del procesador central. R920 es la resistencia de polarizacion a la fuente para CHRG_FLG haciendola valida solamente durante el tiempo en que esta habilitado el controlador de carga de bateria U909.

U907 produce indicador de presencia de bateria para la entrada de supervision BAT_IC desde el paquete de baterias. Su salida estaria a nivel logico ALTO en cualquier momento en que este presente la resistencia BAT_ID y su polarizacion a la fuente se proporciona mediante la serial BAT_CHK.

El regulador de caida de tension U901 (TK71733SCL de TOKO) proporciona una alimentacion de 3,3 V regulada para las resistencias de polarizacion a la fuente de la linea de datos USB, asi como una alimentacion de 3,3 V para varios componentes en el circuito del cargador y como un indicador de que esta unida una fuente externa (EXT_PWR_CD). U901 tiene polarizacion inversa y proteccion de sobrecorriente, protection de corte termico y de cortocircuito integradas.

El U901 proporciona energia para U906, U908, y U905 asi como la tension de 3,3 V para la resistencia de polarizacion a la fuente. Se usa tambien para proporcionar la indication de presencia de VBUS al sistema (EXT_PWR_CD). R904 se usa para limitar la corriente al terminal de entrada del sistema. C915 es un condensador de derivation de entrada y C922 es un condensador de filtro de salida. C910 se usa para filtrar el ruido de RF procedente de los circuitos de RF, y C912 es el condensador de derivacion para referencia interna.

Q907 se usa para conmutar la tension USB_VPU y permitir la identification suave en el bus USB. R909 proporciona la condition de DESCONEXI6N por defecto para P-FET y R905 proporciona la descarga rapida de la linea de control USB_SFTCN (durante el RST o inicio suspendido sin presencia de bateria).

U904 proporciona tension de alimentacion para el chip transceptor USB (es un regulador de tension estandar como es conocido en la tecnica). Esta habilitado cuando esta presente VBUS y corta automaticamente la alimentacion cuando VBUS va a DESCONEXI6N. C921 y C913 son condensadores de filtro de salida. U904 puede eliminarse opcionalmente para ahorrar costes; R942 deberia ariadirse entonces para alimentar energia al chip transceptor USB. U904 solo se requeriria si el chip transceptor no cumple con los requisitos de corriente de USB suspendida (y nuestro dispositivo puede despertar de suspension mirando solo a las respuestas de la linea D+/D-).

U905 y Q908 se usan principalmente para mantener L_BAT = VBAT, cuando no esta presente VBUS, y para mantener L_BAT a al menos 3,6 V cuando esta presente VBUS (mientras el cargador esta proporcionando corriente al sistema) y la tension de bateria es menor de 3,6 V. Se usa tambien para dividir la disipacion de energia total en dos (entre el elemento de paso principal del controlador de carga de bateria y Q908) para permitir corrientes de carga mas altas en todos los niveles de tension de bateria.

Otra importante funcionalidad de este circuito es permitir la identificacion de USB cuando la bateria esta baja/muerta o no presente, permitiendo al sistema despertar en 15 ms cuando la bateria no esta presente, o esta muerta. Una vez que el U909 proporciona toda la corriente programada, los U905/Q908 mantendran la tension pre-programada minima en L_BAT (3,5 V en nuestro caso) variando la resistencia de drenaje a fuente de Q908.

La entrada positiva de U905 se usa como referencia y se fija por R934 y R913. C924 permite una elevation lenta de LBAT de modo que el controlador de carga de bateria U909 pueda proporcionar toda la corriente programada hasta que Q908 solicite un incremento de tension en L_BAT (si es necesario). Los divisores de resistencia R916 y R915 se usan para fijar la “tension minima” en L_BAT, mientras R914 proporciona una resistencia de polarizacion a tierra para la puerta de Q908.

U907 proporciona al sistema indicacion de presencia de bateria. R927 y R929 se usan para fijar la referencia y R928 que la resistencia de polarizacion a la fuente para la salida de drenaje abierto de U907. BAT_ID se presenta entonces en su entrada negativa y NO_BAT_N se establece en consecuencia.

Los valores preferidos para los componentes en este circuito son tal como se muestran en las Figuras 7A - 7C. Estos valores variaran, naturalmente, con la aplicacion y los parametros de diserio.

Realizaciones de software

En lugar de usar solo hardware electronico como se ha mostrado anteriormente, la invention puede implementarse tambien usando una combination de componentes de hardware y software, incluyendo dispositivos programables

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tales como procesadores de senal digital (DSP), microcontroladores, matrices de puertas programables en campo (FPGA), circuitos integrados de aplicacion espedfica (ASIC) y similares. Dicha realizacion podria implementarse tal como se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 8.

Como las realizaciones descritas anteriormente, este metodo puede usarse para cargar cualquier bateria recargable en un dispositivo electronico portatil o similar. Se podria usar cualquier fuente de alimentacion externa, aunque la invention es mas util con fuentes de alimentacion de capacidad limitada.

Como se muestra en la Figura 8, el metodo de la invencion comienza en la etapa 90 mediante la conexion de la entrada de un controlador de carga de bateria 20 a una fuente de alimentacion externa, preferentemente a traves de un cable USB y conectores 16, y una estacion 10 para mantener el dispositivo portatil 18. La salida del controlador de carga de bateria 20 se conecta en paralelo, al dispositivo portatil 18 y a la entrada del interruptor de semiconductor Q1, segun la etapa 92, y la salida de dicho interruptor de semiconductor Q1 se conecta a la bateria recargable 24 segun la etapa 94.

A continuation, se controla la salida de corriente del controlador de carga de bateria 20 en alguna manera, en la etapa 96. Como se ha hecho notar anteriormente esto puede realizarse de muchas formas, por ejemplo, puede usarse una salida CDA (convertidor de digital analogico) de un microcontrolador para enviar una senal apropiada a la entrada de control de corriente del controlador de carga de bateria 20.

Se mide entonces la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20, en la etapa 98. Esta tarea podria realizarse tambien de muchas formas. Por ejemplo, muchos microcontroladores provistos con CAD (convertidores analogico a digital) que podrian usarse para realizar esta funcion.

Debido a que la corriente se controla en la etapa 96, y la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20 se mide en la etapa 98, esta metodologia puede reducir lo que hay de disipacion de energia para el controlador de carga de bateria 20. El metodo de la invencion es capaz por lo tanto de controlar la disipacion de energia mediante la modulation del interruptor de semiconductor Q1 en respuesta a la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria 20 en la etapa 100, reduciendo la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable 24 cuando la caida de tension es demasiado grande.

En esta forma, esta controlada la energia total disipada por el controlador de carga de bateria 20; recibiendo el dispositivo portatil 18 la energia que necesita para funcionar y recibiendo la bateria recargable 24 cualquier energia disponible adicional.

El balance del codigo de software necesario para realizar este algoritmo seria directo para un experto en la materia.

Las etapas del metodo de la invencion pueden realizarse en conjuntos de codigos de maquina ejecutables almacenados en varios formatos tales como codigo objeto o codigo fuente, integrado con el codigo de otros programas, implementado como sus rutinas, mediante llamadas a programas externos o mediante otras tecnicas conocidas en la tecnica.

Incluso aunque las realizaciones en hardware de la invencion podrian codificarse en una forma de software tales como el lenguaje de desarrollo de hardware (codigo HDL) usado para fabricar circuitos integrados. Este HDL o codigo similar se podria almacenar sobre cualquier medio de memoria electronica tal como disquetes, CD-ROM, memoria de acceso aleatorio (RAM) y memoria solo de lectura (ROM) de ordenador. Asimismo, las senales electronicas que representan este codigo de software podian transmitirse tambien a traves de una red de comunicaciones.

Opciones y alternativas

Aunque se han mostrado y descrito realizaciones particulares de la presente invencion, es claro que pueden hacerse cambios y modificaciones a dichas realizaciones sin apartarse del verdadero alcance y espiritu de la invencion. Por ejemplo:

1. el circuito de la invencion puede usarse con cualquier forma de fuente de energia que tenga puertos USB.

2. podria cargarse cualquier forma de dispositivo electrico con dicho circuito incluyendo ordenadores portatiles, asistentes digitales personales (PDA), telefonos celulares, dispositivos de correo inalambrico y de busca; y

3. puede usarse cualquier forma de bateria recargable incluyendo celdas de ion de litio simples o multiples, de niquel cadmio u otros tipos.

De nuevo, dichas implementaciones serian claras para un experto en la materia a partir de las ensenanzas del presente documento, y no le apartan de la invencion.

Aplicabilidad industrial

La presente invencion proporciona un metodo y aparato para la carga de la bateria en un dispositivo de comunicacion portatil a partir de varias fuentes de alimentation.

Claims (30)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un circuito de carga de bateria que comprende:

   un controlador de carga de bateria (20) configurado para recibir energia desde un puerto del bus serie universal “USB" externo (12), y suministrar ene^a de salida a un dispositivo portatil (18) y a una bateria recargable (24); estando configurado adicionalmente el controlador de carga de bateria para limitar la energia de salida de modo que el dispositivo portatil y la bateria recargable no puedan extraer mas de una corriente maxima predeterminada disponible desde el puerto USB; y

   un circuito de detection de tension (30) configurado para medir una caida de tension a traves del controlador de carga de bateria y para responder a la caida de tension a traves del controlador de carga de bateria mediante el control de una cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable de modo que el dispositivo portatil reciba una cantidad predeterminada de energia necesaria para funcionar y la bateria recargable reciba el resto de la energia disponible desde el controlador de carga de bateria.
2. 2. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente:

   un semiconductor impulsor externo al controlador de carga de bateria (20) y operativo para llevar la corriente de suministro desde el puerto USB (12) al dispositivo portatil (18) y a la bateria recargable (24), en donde la corriente de suministro pasa a traves del semiconductor impulsor externo en lugar de a traves del controlador de carga de bateria.
3. 3. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 2, en el que el circuito de deteccion de tension (30) incluye un amplificador operacional.
4. 4. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 3, en el que el circuito de deteccion de tension (30) comprende:

   un amplificador operacional configurado para comparar una serial de tension desde el controlador de carga de bateria (20) con una serial de tension de referencia, y configurado adicionalmente para responder a una diferencia de tension, en la que la serial de tension es menor que la tension de referencia, reduciendo la corriente a la bateria recargable (24).
5. 5. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 3, en el que el circuito de deteccion de tension (30) incluye un amplificador operacional para la comparacion de la tension en la salida del controlador de carga de bateria (20) con una tension de referencia.
6. 6. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 2, en el que los componentes criticos de baja potencia del dispositivo portatil (18) se alimentan desde el controlador de carga de bateria (20) y los componentes no criticos de alta potencia de dicho dispositivo portatil se alimentan desde la bateria recargable (24).
7. 7. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 6, en el que los componentes criticos de baja potencia incluyen al menos uno de entre una memoria y un microprocesador.
8. 8. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 6, en el que los componentes no criticos de alta potencia incluyen al menos uno de entre el sistema de retroiluminacion y un vibrador.
9. 9. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 2, en el que el semiconductor impulsor externo incluye un transistor.
10. 10. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 4, en el que el circuito amplificador operacional incluye adicionalmente un divisor de tension para reducir la serial de tension desde el controlador de carga de bateria y la serial de tension de referencia se reduce proporcionalmente.
11. 11. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 2, en el que la corriente maxima predeterminada que puede extraerse desde dicho controlador de carga de bateria (20) esta limitada por una resistencia a tierra externa.
12. 12. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente:

    un interruptor de semiconductor acoplado entre el controlador de carga de bateria (20) y la bateria recargable (24), estando el interruptor de semiconductor controlado por el circuito de deteccion de tension para limitar la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable (24).
13. 13. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 1, en el que puede configurarse el controlador de carga de bateria (20) para fijar la corriente maxima predeterminada dependiendo de los limites de la corriente del puerto USB (12).

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14. 14. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 13, en el que la corriente maxima predeterminada disponible desde el puerto USB (12) puede fijarse a aproximadamente 100 mA para un puerto USB de baja potencia y puede fijarse a aproximadamente 500 mA para un puerto USB de alta potencia.
15. 15. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 1, en el que el controlador de carga de bateria (20) esta configurado adicionalmente para recibir energia desde una fuente no USB.
16. 16. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 15, en el que el controlador de carga de bateria (20) puede configurarse para fijar la corriente maxima predeterminada dependiendo de si la energia se recibe desde el puerto USB (12) o de la fuente no USB.
17. 17. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 15, en el que la fuente no USB es un adaptador de enchufe de CA.
18. 18. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 15, en el que la fuente no USB es un convertidor CC/CC para su uso con un automovil.
19. 19. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 15, en el que el controlador de carga de bateria (20) puede configurarse para fijar la corriente maxima predeterminada a uno de una pluralidad de limites de corriente dependiendo de si la energia se recibe desde un puerto USB de baja potencia, un puerto USB de alta potencia o una fuente no USB.
20. 20. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente:

    un interruptor de semiconductor configurado para aislar la bateria recargable del dispositivo portatil.
21. 21. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 20, en el que el interruptor de semiconductor esta configurado adicionalmente para:

    alimentar el resto de la energia a la bateria recargable.
22. 22. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 21, en el que el circuito configurado adicionalmente para:

    controlar la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable a traves del
23. 23. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 21, en el que el circuito configurado adicionalmente para:

    reducir la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable a traves del interruptor; en donde la cantidad de corriente reducida es mayor de 0.
24. 24. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 21, en el que el circuito de deteccion de tension esta configurado adicionalmente para:

    determinar una caida de tension basandose en una comparacion de una primera tension a traves del controlador de carga de bateria con una tension de referencia.
25. 25. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 24, en el que el circuito de deteccion de tension esta configurado adicionalmente para:

    restringir la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable a traves del interruptor basandose en la caida de tension.
26. 26. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 1, en el que la corriente maxima predeterminada esta dentro de un intervalo de energia que el controlador de carga de bateria es capaz de disipar.
27. 27. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 26, en el que el controlador de carga de bateria esta configurado adicionalmente para:

    detectar un estado de funcionamiento;

    en el que la capacidad de energia se basa en el estado de funcionamiento.
28. 28. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 27, en el que el estado de funcionamiento es una deteccion de que la energia recibida procede de una fuente USB de alta potencia.

    de deteccion de tension esta interruptor.

    de deteccion de tension esta

    10

    15
29. 29. El circuito de carga de bateria de la reivindicacion 26, en el que el controlador de carga de bateria esta configurado adicionalmente para:

    proporcionar una corriente de suministro maxima;

    en el que la energia de salida se basa en la corriente de suministro maxima.
30. 30. Un metodo para la carga de una bateria recargable (24) para un dispositivo portatil (18) que utiliza energia suministrada desde un puerto del bus serie universal “USB" (12), que comprende:

    recibir energia desde el puerto USB;

    suministrar la energia recibida a la bateria recargable y al dispositivo portatil, en donde la energia suministrada esta limitada de modo que la bateria recargable y el dispositivo portatil no puedan extraer mas de una cantidad maxima predeterminada de corriente disponible desde el puerto USB;

    medir, usando un circuito de deteccion de tension, una caida de tension a traves de un circuito usado para suministrar la energia recibida a la bateria recargable y al dispositivo portatil; y

    controlar la cantidad de corriente suministrada a la bateria recargable en funcion de la caida de tension medida de modo que el dispositivo portatil reciba una cantidad predeterminada de la energia recibida necesaria para funcionar y la bateria recargable reciba un resto de la energia recibida.