ES2609460T5 - Circuito y método de funcionamiento para una fuente de alimentación eléctrica - Google Patents

Circuito y método de funcionamiento para una fuente de alimentación eléctrica Download PDF

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DESCRIPCIÓN
Circuito y método de funcionamiento para una fuente de alimentación eléctrica
Campo técnico
La presente invención se refiere en general a cargadores de batería, y más específicamente a un método y un aparato para carga de una batería en un dispositivo de comunicación portátil desde varias fuentes de alimentación, incluyendo fuentes de capacidad limitada tal como un nodo de alimentación integral de un bus de datos de ordenador. Uno de dichos buses de datos de ordenador sería un puerto USB (Universal Serial Bus).
Técnica antecedente
Con la revolución de los ordenadores y de la información, los dispositivos electrónicos portátiles tales como teléfonos celulares, asistentes digitales personales (PDA), buscas digitales y dispositivos de correo electrónico inalámbrico, están convirtiéndose en muy comunes. Estos dispositivos portátiles están alimentados normalmente por baterías internas que deben recargarse periódicamente por una fuente de energía externa, usando un cargador de baterías. Los cargadores de baterías reciben en general energía desde una toma de la red eléctrica de CA estándar y convierten la energía de CA en una baja tensión de CC para la recarga de la batería.
Los cargadores de baterías de estos dispositivos portátiles también emplean generalmente un “controlador de carga de la batería” para gestionar la carga de la batería. Dichos controladores de carga de batería ofrecen funcionalidades tales como:
o regulación de los niveles de tensión y corriente para la batería recargable;
o proporcionar señales de estado al procesador principal del dispositivo portátil, o la operación de uno o más LED (diodos emisores de luz) de estado;
• proporcionar circuitos de protección tales como de sobrecorriente, baja tensión, polaridad inversa y protección por sobretemperatura; y
• desconectarse a sí mismos cuando la fuente de carga se haya retirado, para minimizar el drenaje de la batería.
Los paquetes de baterías 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 caída de tensión severa o condiciones de descarga profunda. Durante esta etapa de precarga, la tensión de la batería 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 continuación, se carga la batería con un nivel de corriente constante, hasta que la tensión a través de la batería alcanza su nivel de diseño (digamos, 4,2 V CC). En este punto la batería solo estará del 40 al 70 % de su capacidad total; y a continuación
3. la carga de la batería continúa a un nivel de tensión constante (de nuevo, digamos 4,2 V CC) hasta que esté totalmente cargada. En este modo, la corriente extraída por la batería caerá a lo largo del tiempo. Cuando la corriente de carga ha caído al 10 % de la tasa de carga inicial, o en algún otro límite determinado por el fabricante de la batería, la carga se detiene.
La carga debe detenerse en este punto debido que no es aceptable goteo de carga para las baterías de ion de litio; una sobrecarga dañaría las celdas, posiblemente retirando el plateado de litio y convirtiéndose en peligroso.
Por ello, las baterías de litio son casi siempre usadas invariablemente con controladores de carga de baterías diseñados para sus parámetros de carga particulares.
Desafortunadamente, la mayor parte de los controladores de carga de batería se diseñan para extraer desde una fuente de alimentación de alta capacidad con una tensión estable que no se debilitará apreciablemente bajo sus demandas de corriente. Este es un problema cuando se intenta usar una fuente de alimentación con capacidad limitada. Algunos buses de datos de ordenador, tal como los buses USB (universal serial bus) pueden usarse para proporcionar energía a dispositivos externos, pero aunque dichas fuentes de alimentación son muy convenientes, tienen una capacidad limitada.
La mayoría de los ordenadores personales (PC) y ordenadores portátiles disponibles hoy en día, están provistos con uno o más puertos USB como componentes estándar. Los puertos USB se diseñan para soportar comunicación de datos a velocidades de hasta 12 megabits y 1,5 megabits por segundo, soportar instalación de software PnP (Plug and Play) y soportar conexión en caliente (es decir los dispositivos pueden conectarse y desconectarse mientras el PC está en ejecución). Por ello, los puertos USB se usan frecuentemente como interfaces para conectar teclados, ratones, consolas de juego, impresores y escáneres a los PC.
Asimismo, los puertos USB son operativos para suministrar una energía limitada a los dispositivos externos conectados. La especificación USB estándar requiere que los puertos USB de “alta energía” sean operativos para proporcionar una tensión de alimentación de 4,75 - 5,25 V CC y suministrar corriente de al menos 500 mA (frecuentemente denominadas como “cinco unidades”). La especificación para puertos USB de “baja energía” requiere una tensión de alimentación de 4,40 - 5,25 V CC y una corriente de 100 mA (denominada como “una unidad”).
Los puertos USB parecerían ser una elección muy lógica como fuente de alimentación para dispositivos portátiles por un cierto número de razones. Para comenzar, los puertos USB suministran una alimentación de tensión en CC que esta frecuentemente muy próxima a, o justamente por encima de, la tensión de la batería que está siendo cargada (muchos dispositivos portátiles tienen tensiones de batería en el intervalo de 2,5 - 4,5 V CC). Asimismo, muchos dispositivos portátiles pueden ser operativos para subir y descargar datos o software, a y desde un ordenador personal o un ordenador portátil (frecuentemente denominado como un “syncing”). De ese modo, muchos dispositivos portátiles están alimentados con estaciones de conexión tal como la mostrada en el diagrama del sistema de la Figura 1. Este es un sistema muy directo, dado que la estación de conexión 10 se conecta a un puerto USB 12 de un ordenador personal (PC) 14 a través de un simple cable y conectores USB 16. El dispositivo portátil 18 solo necesita depositarse sobre la estación de conexión 10 y se realiza la conexión electrónica al PC 14.
Si el puerto USB 12 tiene energía suficiente, tiene mucho más sentido usar el puerto USB 12 para suministrar energía de carga al dispositivo portátil 18, en lugar de usar un cargador de CA separado. Por ejemplo:
1. una fuente de alimentación USB tendrá menor ruido eléctrico 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 alimentación conmutada, nada de lo cual se requeriría si se usara la alimentación USB;
3. en la implementación de la fuente de alimentación USB, el cable y conectores 16 usados para conectar la estación de conexión 10 al PC 14 se usarían para llevar tanto energía como datos, de modo que no se requeriría en absoluto ningún componente extra. Por el contrario, habría de proporcionarse una fuente de alimentación de CA como un componente físico separado del cable de datos USB; y
4. no hay normas universales para fuentes de alimentación de CA; una fuente de alimentación 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 número de diferentes posibles conectores y polaridades. Un viajero que olvide su fuente de alimentación de CA en casa, puede no ser capaz de hallar sustituto adecuado.
Por el contrario, la norma USB está ampliamente aceptada, de modo que un viajero cuyo dispositivo móvil esté equipado con un conector USB tendrá una mucha mayor oportunidad de hallar una fuente de carga.
Por ello, sería claramente deseable usar la energía del USB para cargar dispositivos portátiles. Desafortunadamente sin embargo, como se ha observado anteriormente, los puertos USB solo pueden proporcionar una energía limitada. El problema queda claro cuando se considera el diagrama de bloques de la Figura 2. En este escenario, el dispositivo portátil 18 y el controlador de carga de batería 20 se conectan al puerto USB 12 en paralelo, dado que bajo condiciones de carga el interruptor de control 22 estará conmutado de modo que el dispositivo portátil 18 extraerá alimentación del puerto USB 12. Cuando la batería 24 haya quedado totalmente cargada por el controlador de carga de batería 20 y la alimentación del puerto USB 12 retirada, el interruptor de control 22 se conmuta a continuación de modo que el dispositivo portátil 18 extrae la energía de la batería 24. Este tipo de circuito puede trabajar en algunas circunstancias, pero no es aceptable en donde la fuente de energía tiene una capacidad limitada. Si se intenta alimentar el dispositivo portátil 18 y el controlador de carga de batería 20 simultáneamente 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 situación de baja tensión o baja corriente que daría como resultado un cierto número de problemas indeseables tales como: la batería 24 no quede apropiadamente cargada o quede permanentemente dañada, o el dispositivo portátil 18 funcione erráticamente o quede dañado. Como alternativa, la batería 24 y el dispositivo portátil 18 pueden disponerse tal como se muestra en la Figura 3 de modo que queden ambos alimentados por el controlador de carga de batería 20. Aunque dicho diseño reduciría la extracción de energía total por parte del dispositivo portátil 18 y la batería 24 en combinación, hay un cierto número de otros problemas:
1. de modo más importante, no haya un control sobre la energía total que se extrae desde el puerto USB 12; 2. la energía extraída por el dispositivo portátil 18 podría perturbar la protección cuidadosamente diseñada y mecanismos de carga del controlador de carga de batería 26;
3. el dispositivo portátil 18 y la batería 24 compiten arbitrariamente por la energía disponible, de modo que puede afectar adversamente al funcionamiento entre ellos. Si la tensión disponible cae demasiado bajo, o está disponible una corriente insuficiente, ambos dispositivos pueden funcionar erráticamente, o fallar todos a la vez; 4. Si la batería 24 está en un estado de descarga profundo cuando se conecta la energía, la tensión al dispositivo portátil 18 caerá al nivel de la batería profundamente descargada. Normalmente, los dispositivos portátiles 18 no serán operativos en dicho nivel de baja tensión; y
5. la corriente que debe suministrarse a la batería 24 y al dispositivo portátil 18 debe disiparse por el controlador de carga de batería 20 o un semiconductor externo en alguna forma. Cuanta más energía se disipa, mayor debe ser el controlador de carga de batería 20 (o el semiconductor externo controlado por el controlador de carga de batería 20). Generalmente, la capacidad de un semiconductor para disipar energía varía con su área superficial, por ello, si la disipación de energía se duplica, el semiconductor debe incrementar en cuatro veces el área superficial.
Podrían desarrollarse nuevos controladores, dedicados de carga de batería que se diseñen para funcionar con una fuente de alimentación USB y un dispositivo portátil 18, lo que sería una solución cara y complicada. Cada controlador de carga de batería tendría que diseñarse para adaptarse a una pareja particular de dispositivo portátil 18 y batería 24 debido a que tendría que tener en cuenta los requisitos de consumo de energía de ambos componentes.
Existe por tanto una necesidad de un método y aparato que permita que buses de datos de ordenador estándar tales como los puertos USB alimenten simultáneamente dispositivos portátiles 18 y sus circuitos de carga de batería 20 asociados sin tener que diseñar nuevos controladores de carga de batería con aplicaciones muy específicas. Este diseño debe proporcionarse con consideración a los estrechos parámetros de operación de los circuitos de carga de batería, la limitada área de tarjeta física en dispositivos portátiles, y la fiabilidad y complejidad del diseño.
El documento US 6252375 divulga un sistema de gestión de la energía e incremento de corriente y método y aparato cargador de baterías para un periférico de ordenador. El método de incremento de corriente es para su uso con un subsistema periférico alimentado por ordenador que incluye una carga dinámica, requiriendo la carga dinámica mayor energía, de vez en cuando, que la energía disponible especificada desde el ordenador y el bus o interfaz interconectado especificado. Este método incluye el uso de un nodo de energía que suministra energía según sea necesario desde la batería a la carga dinámica, de modo que la carga dinámica variable no exceda la energía especificada disponible desde el ordenador y bus interconectado. El método incluye la supervisión de la corriente de carga, y la inyección de corriente dentro del nodo de energía para incrementar la capacidad de control de corriente del ordenador y bus periférico. Preferentemente, la inyección se realiza selectivamente basándose en el resultado de la supervisión, por ejemplo solamente cuando la corriente de carga detectada está aproximándose a un nivel de umbral definido. Adicionalmente, la carga de batería se realiza solamente cuando se determina que no se está extrayendo corriente a través de la batería para evitar distorsión en la lectura de tensión. El aparato es también para la carga selectivamente de la batería a partir de la corriente en el bus durante periodos de pausa relativa de carga dinámica periférica. El aparato incluye medios para la determinación de la capacidad de carga de la batería de acuerdo con criterios de capacidad de carga predefinidos, y un circuito de carga de batería sensible a los medios de determinación para cargar la batería selectivamente solo durante tiempos en los que la corriente de carga periférica está limitada y hay suficiente corriente disponible en el bus desde el ordenador para recargar la batería.
Divulgación de la invención
Es por lo tanto un objetivo de la invención proporcionar un método y aparato novedosos que permitan que se alimenten controladores de carga de batería estándar desde puertos de datos de ordenador estándar y otras fuentes de energía, que obvie o mitigue al menos una de las desventajas de la técnica anterior.
Un aspecto de la invención se define ampliamente como un circuito de carga de batería que comprende: un interruptor de semiconductor que tiene una salida conectada a una batería recargable; un controlador de carga de batería para la recepción de energía desde una fuente externa, y suministro de energía de salida a un dispositivo portátil y la entrada al interruptor de semiconductor, siendo controlable la salida de corriente del controlador de carga de batería; y un circuito de detección de tensión para la medición de la caída de tensión a través del controlador de carga de batería; y la respuesta a la caída de tensión a través del controlador de carga de la batería mediante la modulación del interruptor de semiconductor para reducir la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable cuando la caída de tensión es demasiado grande; mediante lo que se controla la energía total disipada por el controlador de carga de batería, recibiendo el dispositivo portátil la energía que necesita para funcionar y recibiendo la batería recargable cualquier energía disponible adicional.
Otro aspecto de la invención se define como un circuito de carga de batería que comprende: un controlador de carga de batería conectado a la fuente de alimentación externa y la electrificación de una batería y un dispositivo portátil, y que tiene un ajuste de corriente máxima; y un circuito de regulación para la detección de la caída de tensión a través del controlador de carga de batería, y la modulación de la corriente a la batería para mantener la energía disipada por el controlador de carga de batería por debajo de un nivel predeterminado.
Un aspecto adicional de la invención se define como un método para carga de una batería de un dispositivo portátil a través de una fuente de alimentación externa, comprendiendo el método las etapas de: conectar la entrada de un controlador de carga de batería a la fuente de alimentación externa; conectar la salida del controlador de carga de batería, en paralelo, al dispositivo portátil y a la entrada de un interruptor de semiconductor; conectar la salida del interruptor de semiconductor a la batería; controlar la salida de corriente del controlador de carga de batería; medir la caída de tensión a través del controlador de carga de batería; y responder a la caída de tensión a través del controlador de carga de batería mediante la modulación del interruptor de semiconductor para reducir la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable cuando la caída de tensión es demasiado grande; mediante lo que se controla la energía total disipada por el controlador de carga de batería, recibiendo el dispositivo portátil la energía que necesita para funcionar y recibiendo la batería recargable cualquier energía disponible adicional.
Un aspecto adicional de la invención se define como un circuito de fuente de alimentación que comprende: medios para la medición de la caída de tensión a través del controlador de carga de batería que proporciona energía a un dispositivo portátil y a la entrada de un interruptor de semiconductor, en paralelo; medios para controlar la salida de corriente del controlador de carga de batería; y medios para responder a la caída de tensión a través del controlador de carga de batería mediante la modulación del interruptor de semiconductor para reducir la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable cuando la caída de tensión es demasiado grande; mediante lo que se controla la energía total disipada por el controlador de carga de batería, recibiendo el dispositivo portátil la energía que necesita para funcionar y recibiendo la batería recargable cualquier energía disponible adicional.
Breve descripción de los dibujos
Estas y otras características de la invención serán más evidentes a partir de la descripción que sigue en la que se hace referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 presenta una disposición física de un ordenador personal conectado a un dispositivo electrónico portátil de una manera conocida en la técnica;
la Figura 2 presenta un diagrama de bloques eléctrico de un circuito de carga de batería y un dispositivo portátil que está alimentado en paralelo;
la Figura 3 presenta un diagrama de bloques eléctrico de una batería y dispositivo portátil estando ambos alimentados por un controlador de carga de batería;
la Figura 4 presenta un diagrama eléctrico esquemático de un circuito de carga de batería en una amplia realización de la invención;
la Figura 5 presenta un diagrama de tiempos de curvas de tensión, corriente y energía para la carga de una batería de ion de litio en una realización de la invención;
la Figura 6 presenta un diagrama eléctrico esquemático de un circuito de carga de batería en una realización simple de la invención;
las Figuras 7A, 7B y 7C presentan un diagrama eléctrico esquemático de un circuito de carga de batería en una realización global de la invención;
la Figura 8 presenta un diagrama de flujo de un método de funcionamiento de un circuito de carga de batería en una realización de la invención.
Mejor modo de llevar a cabo la invención.
Como se ha explicado anteriormente, no hay actualmente ningún diseño efectivo que sea capaz de alimentar tanto un dispositivo portátil 18 como una batería recargable 24 a partir de una fuente de alimentación con capacidad limitada.
Un circuito que supera cierto número de problemas en la técnica, se presenta como un diagrama de bloques en la Figura 4. Esta figura presenta un circuito de carga de batería construido alrededor de un controlador de carga de batería 20 estándar. En esta realización de la invención, el controlador de carga de batería 20 recibe alimentación desde una fuente externa (Vbus) y alimenta al dispositivo portátil 18 y batería o baterías recargables 24 en paralelo, pero la alimentación a la batería 24 se realiza a través de un interruptor de semiconductor Q1. El control del flujo de corriente a través del interruptor de semiconductor Q1 se modula por un circuito de detección de tensión 30 que mide la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20 y reduce el flujo de corriente a través del interruptor de semiconductor Q1 a la batería 24 cuando la caída de tensión es demasiado grande.
El circuito de detección de tensión 30 permite que el consumo de energía total al circuito se reduzca debido a que la salida de corriente del controlador de carga de batería 20 es controlable, y la energía es el producto de la caída de tensión por la corriente. La mayor parte de los controladores de carga de batería 20 conocidos en la técnica están provistos con alguna clase de control de corriente máxima. En las realizaciones de ejemplo descritas en el presente documento a continuación, por ejemplo, la salida de corriente máxima del controlador de carga de batería 20 se fija simplemente a través de una resistencia externa R1, aunque, por supuesto, la corriente de salida podría controlarse también en muchas otras formas (por ejemplo, siendo programable, específica de la aplicación, o fijada a través de alguna forma de señal de entrada analógica o digital).
También en las realizaciones descritas en el presente documento a continuación, el circuito de detección de tensión 30 en sí se proporciona a través de un amplificador operacional (op amp). Así, la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20 podría medirse simplemente mediante la comparación de la tensión en la entrada y salida del controlador de carga de batería 20, tal como se muestra en la Figura 4. Alternativamente, podría tomarse una entrada al op amp desde la salida del controlador de carga de batería 20, mientras que la otra podría ser alguna tensión de referencia Vref; o bien emulando la entrada Vbus del controlador de carga de batería 20, o siendo escalada en alguna forma.
Así mediante la supervisión de la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20 y conociendo la corriente máxima que puede proporcionar, se sabe la energía total. Usando esta información para modular la energía de la batería 24, puede controlarse la energía total disipada por el controlador de carga de batería 20. También, debido a que este circuito modula la energía disponible para la batería 24, este circuito puede diseñarse para asegurar que el dispositivo portátil 18 recibe la energía que requiere para el funcionamiento, mientras que la batería recargable 24 solo recibe energía cuando hay disponible un exceso de capacidad.
La energía total consumida puede modularse por lo tanto para permanecer dentro de los límites de la energía disponible desde el puerto USB 12, y dentro del intervalo de energía en el que el controlador de carga de batería 20 es capaz de disipar. Esto permite que se usen controladores de carga de batería 20 “de estantería”, en lugar de tener que diseñar controladores de carga de batería 20 nuevos y mayores que puedan disipar energía suficiente para alimentar tanto el dispositivo portátil 18 como la batería 24. También permite que el controlador de carga de batería 20 o el elemento de control externo se mantengan físicamente pequeños.
Con este mecanismo de modulación de energía, ya no hay competición de energía entre el dispositivo portátil 18 y la batería 24. La batería 24 recibe energía solamente si hay más energía disponible que la que requiere el dispositivo portátil 18. Esto puede parecer inconsistente con los requisitos de carga de baterías tales como celdas de litio, pero los parámetros del circuito pueden diseñarse fácilmente para adaptarse a ellas.
Como se ha hecho notar anteriormente, los controladores de carga de batería se diseñan normalmente para adaptarse a una batería o familia de baterías en particular. Por ejemplo, las baterías de litio se cargan en tres fases:
1. resolver condiciones de descarga profunda;
2. carga a corriente constante hasta que la batería alcanza un cierto nivel de tensión; y a continuación
3. carga a tensión 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 batería (normalmente 1/10 de la corriente de carga). El circuito de la invención se diseña por lo tanto de modo que raramente se denegará a la batería esta demanda muy modesta de energía.
La fase de carga a corriente constante extrae la mayor cantidad de energía, 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 invención. Si el dispositivo portátil 18 se usa una gran cantidad durante esta fase, el único impacto negativo será que la carga de la batería 24 dura mucho más.
Durante la fase de carga a tensión constante, la corriente máxima es menor que la de la fase a corriente constante y cae continuamente cuando la batería 24 queda totalmente cargada. Más importante, la tensión de la batería 24 permanece en un nivel constante, y máximo, durante esta fase, de modo que la energía total disipada por el controlador de carga de batería 20 será más baja durante la fase a tensión constante, que lo que fue durante la fase a corriente constante.
Como se describirá con mayor detalle en el presente documento a continuación, el circuito de detección de tensión 30 se diseña para saturar el interruptor de semiconductor Q1 cuando se alcanza el nivel de tensión 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 disipación de energía a lo largo del tiempo. Se muestran cuatro curvas en esta figura: la tensión de la batería 24, etiquetada Vbat, la corriente de carga, etiquetada Icarga, la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20, etiquetada Vcaída y la energía total disipada, etiquetada PBCC. Obsérvese que Vcaída varía inversamente con Vbat y que la energía disipada por el controlador de carga de batería 20, es el producto de Icarga y Vcaída.
Claramente, durante la fase de acondicionamiento, la tensión de batería Vbat es demasiado baja, de modo que Vcaída será alta. Sin embargo, Icarga es también baja durante esta fase (aproximadamente 1/10 de Imáxcarga, la corriente de carga máxima) de modo que la energía total disipada es modesta.
Durante la fase a corriente constante, la corriente de carga se eleva hasta Imáxcarga, pero la tensión de la batería, Vbat, cae cuando la batería queda cargada, de modo que la energía disipada por el controlador de carga de batería 20 cae a lo largo del transcurso de esta fase.
Cuando se inicia la fase a tensión constante, la tensión de batería ha alcanzado su nivel totalmente cargado, Vplena-carga, de modo que Vcaída está en un mínimo. Cuando Icarga cae a lo largo del transcurso de esta fase, la energía disipada también continúa cayendo (nótese de nuevo, que la energía disipada es el producto de Icarga y Vcaída).
Claramente entonces, el nivel de energía mayor se extrae durante la fase a corriente constante. Como se ha hecho notar anteriormente, la carga de la batería 24 puede tratarse en ciclos durante esta fase, de modo que la restricción en la corriente a la batería 24 durante esta fase, es permisible.
Este circuito también permite al usuario arrancar su dispositivo portátil 18 rápidamente debido a que aísla la batería 24 del dispositivo portátil 18. Si la batería 24 y el dispositivo portátil 18 se conectaran cuando el controlador de carga de batería 20 intenta acondicionar una batería 24 profundamente descargada, la tensión en el dispositivo portátil 18 caería hasta el nivel de batería 24 profundamente descargada. Normalmente este sería demasiado bajo para un funcionamiento apropiado del dispositivo portátil 18. Con el circuito de la invención, la batería 24 y el dispositivo portátil 18 están aislados por Q1. Incluso si la batería 24 está en un estado de descarga profunda, el dispositivo portátil 18 aún verá una tensión que es suficientemente alta para un funcionamiento apropiado.
El tiempo para el arranque del dispositivo portátil 18 está limitado solamente por el tiempo disponible del controlador de carga de batería 20 en sí. Una cifra típica para este comienzo es 1 ms - 4 ms, aunque podría variar de un controlador de carga de batería 201 a otro.
Por ello, el uso del circuito de la Figura 4 permite a buses de datos de ordenador y fuentes de alimentación similares con capacidad limitada, suministrar simultáneamente energía a dispositivos portátiles y baterías descargadas.
Se describirán ahora un cierto número de diferentes realizaciones de la invención. Cada realización usa un número muy pequeño de componentes simples, fiables. De ese modo, como conjunto, la invención proporciona una solución efectiva que es barata, fiable y consume un mínimo espacio de tarjeta en un dispositivo portátil.
Implementación básica
La Figura 6 presenta un diagrama eléctrico esquemático de un circuito de carga que emplea cuatro componentes principales: un controlador de carga de batería 50 NCP1800, un semiconductor Q2, que sirve como un elemento de control externo para el controlador de carga de batería 50, un amplificador operacional (opamp) 52, y un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-oxido-silicio) Q3, que controla la corriente a la batería recargable 24.
El controlador de carga de batería 50 NCP1800 es un controlador de carga de baterías de ion de litio, de celda única estándar como es conocido en la técnica. La corriente máxima que este dispositivo proporcionará 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 máxima para diferentes condiciones de funcionamiento. La condición por omisión es que solo están disponibles 100 mA (USB de baja potencia), lo que establece el valor para la resistencia R2. Si se detecta que el dispositivo está conectado a una fuente USB de alta potencia, entonces la puerta del MOSFET Q4 se energizará, y la resistencia entre ISEL y tierra se fijará por la resistencia de R2 y R3 en paralelo.
De modo similar, si se detecta que la fuente de energía para el circuito tiene incluso más energía disponible (un enchufe a CA o un adaptador de coche, por ejemplo), entonces se energizará el MOSFET Q5 de modo que la resistencia entre ISEL y tierra se fijará por la resistencia de R2 y R4 en paralelo. El circuito de la Figura 6 estará incluido normalmente en los dispositivos portátiles 18 en sí, o en la estación de conexión 10, de modo que debería estar también operativo con dichas alimentaciones de alta capacidad energía.
Están disponibles las notas de aplicación del fabricante del controlador de carga de batería 50 NCP1800 lo que ayudará al diseñador al establecimiento de los parámetros y valores específicos para las resistencias R2, R3 y R4 y el transistor de control Q2.
La parte de detección de tensión 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 tensión en el lado de colector de Q2 (a través del divisor de tensión R5 y R6), y lo compara con un nivel de referencia (en este caso, Vref = 3,3 V). Si la tensión en el lado del colector de Q2 cae, entonces la caída de tensión a través de Q2 se eleva y la energía que debe disipar se eleva. Para reducir la energía que debe disiparse, el op amp 52 restringe la corriente a través de Q3 incrementando su resistencia de drenaje a fuente.
Obsérvese que Vref puede proporcionarse simplemente desde Vbus y un regulador de tensión. Vref se usa como una entrada al op amp 52 en lugar del Vbus debido a que el regulador proporcionará una tensión de salida constante, mientras que Vbus tiene un intervalo amplio que hace el diseño más difícil. Los valores de las resistencias R5 y R6 se establecen simplemente por la necesidad de escalar el valor de Vbus al valor de Vref.
También, obsérvese que el condensador C1 se incluyen en el circuito de modo que suavice las fluctuaciones y para impedir la oscilación.
Como se ha descrito anteriormente, este circuito permite que el dispositivo portátil 18 extraiga energía a través de Q2, sin provocar que las extracciones combinadas del dispositivo portátil 18 y la batería 24 excedan la capacidad de energía de Q2. Cuando el dispositivo portátil 18 extrae energía, la tensión en el lado de colector de Q2 cae y la corriente a través de Q3 se estrangula de un modo lineal.
La disipación de energía debe diseñarse para el escenario del peor caso. Por ejemplo, si los parámetros de diseño máximo son los siguientes:
• hay disponible hasta 0,85 A;
• una entrada de tensión podría ser tan alta como 6 V; y
• la precarga de la batería 24 está completa a 3,0 V (que es donde se entrega la corriente de carga más alta a la batería, tal como se muestra en la Figura 5);
entonces (6 V - 3 V) * 0,85 A = 2,55 W de energía que se disiparía por el elemento de control Q2 externo (nótese que en los circuitos que no usan dicho elemento, toda esta energía se disiparía por el controlador de carga de batería 50).
Este elemento de control Q2 externo debe disipar el calor generado por la corriente que fluye a través de él. Cuanta más energía se disipa, mayor es el tamaño físico que debe tener este elemento de paso; generalmente, el área superficial que requiere un dispositivo, se eleva con el cuadrado de la energía a ser disipada. Esto es, si se duplica la energía, se requiere un transistor con cuatro veces el área superficial. Los tamaños de los transistores están normalizados, de modo que la realización preferida de este circuito se diseña para emplear encapsulados SOT-23 (o súper SOT-6), que son capaces de disipar hasta 1,6 W. El siguiente tamaño es SOT-223, que es considerablemente mayor con el doble de disipación de energía.
Como se ha hecho notar anteriormente, la estrangulación de energía a la batería 24 se realiza de modo que la corriente siempre satisface las necesidades del dispositivo portátil 18 y cualquier corriente restante (diferencia entre la corriente de entrada y la corriente al dispositivo portátil 18) se proporciona a la batería 24. Por ejemplo, supongamos que el circuito se conecta a un puerto USB de alta potencia (están disponibles 500 mA) y a un dispositivo portátil 18 tal como un dispositivo portátil 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 batería 24. Una vez que despierta el Blackberry, lo que hace periódicamente para realizar trabajos domésticos, extrae digamos 30 mA - 70 mA, dependiendo de lo que hace. En este punto, la batería 24 recibe 430 mA - 470 mA. El análisis tiene lugar cuando el Blackberry ha de recibir o transmitir algunos datos, o realizar alguna otra tarea. En cada caso, la energía a la batería 24 se auto-ajusta dinámicamente.
Si hay disponible una energía limitada, es deseable también cortar los componentes de consumo de alta potencia, preservando energía solamente para el procesador. Esto se realiza fácilmente mediante la conexión de solamente el procesador y memoria del dispositivo portátil 18, a Q2 tal como se muestra en la Figura 6, y conectando otros consumidores de alta potencia al lado de batería 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 l20 mA) o una retroiluminación (normalmente 150 mA), la salida de tensión desde Q2 comenzaría a caer, provocando que Q3 incremente sus valores de resistencia y preserve la corriente necesitada por el procesador.
Implementación completa
El diseño presentado en las Figuras 7A a 7C usa los mismos circuitos básicos que en la Figura 6, pero añade varios elementos que proporcionan ventajas adicionales. Estas ventajas incluyen las siguientes:
• la batería puede cargarse con una tensión de entrada que esté justamente por encima del nivel de la batería; • el arranque del dispositivo portátil 18 cuando la batería está muerta o no está presente, es diferente del de la Figura 6;
• se mejora el manejo de fallos de entrada desde la fuente de alimentación externa; y
• contrariamente a las instrucciones del fabricante del controlador de carga de batería usado en esta implementación, los terminales VCC e IN se alimentan por separado, para evitar fugas por retroceso de tensión y problemas de malfuncionamiento energíales en el controlador de carga de batería.
Los parámetros de diseño específicos para esta realización de la invención pueden resumirse como sigue:
1. capacidades de carga a corriente constante, a tensión constante (según se requiere para la carga de baterías de ion de litio);
2. selección de corriente para fuentes de alimentación de 100 mA, 500 mA y 750 mA;
3. funcionamiento del dispositivo portátil 18 cuando la batería recargable 24 está baja, muerta o no presente; 4. arranque y operación del dispositivo portátil 18 en menos de 100 ms, en los casos en que la batería 24 no está presente o está muerta;
5. cumplimiento con el modo de operación de USB suspendida (el sistema debería extraer menos de 500 jA); 6. protección de sobretensión por encima de 5,8 V hasta un mínimo de 10 V;
7. protección contra cortocircuitos en el conector de batería;
8. permitir la carga con la tensión de entrada tan baja como necesite el dispositivo portátil 18 para su funcionamiento seguro;
9. tensión en el intervalo de 3,3 V - 3,6 V para la resistencia de polarización a la fuente en la línea D+;
10. proporciona medios para conectar y desconectar la tensión a la resistencia de polarización a la fuente en la línea D+;
11. indicación de presencia de la batería; y
12. proporciona el estado del controlador de carga de batería.
Sigue la descripción general de esta implementación completa de la invención:
El circuito de las Figuras 7A - 7C se centra alrededor del controlador de carga de batería de ion de litio bq24020 de Texas Instruments, etiquetado como U909 en la Figura 7C. Este controlador de carga de batería proporciona los modos de corriente constante y tensión constante requeridos para cargar celdas de ion de litio, y soporta límites de corriente programables externamente. Su UVLO (umbral de corte de tensión 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 también para garantizar la operación de arranque inicial del U909 con un mínimo de 100 ms. Esto proporciona medios para identificar cuándo se funciona con batería baja, muerta o sin ella. Se proporciona protección de sobretensión (OVP) por el U912 que se fija a ~5,8 V. El estado de carga es proporcionado por el controlador de carga de batería U909, que indica si el controlador está o no proporcionando corriente al sistema. La tensión de la resistencia de polarización a la fuente de D+ es proporcionada por U901 (un regulador de caída de tensión, TK71733SCL de Toko) y su capacidad de conmutación a través de Q907. La misma tensión se usa también para alimentar los componentes que se usan solamente cuando está disponible energía externa a través de VBu S (U906, U905, etc.).
Se usan un comparador U905 (LMC7111A) y un MOSFET Q908 para elevar la tensión del sistema cuando se funciona con batería baja/muerta o sin batería. Este bucle cerrado también “estrangula” la corriente al sistema en condiciones de no batería, y batería baja. Esto sucede debido a que cuando cae la tensión L_BAT (debido a la carga del sistema) el U905 actúa para conmutar a corte el Q908, dirigiendo más corriente al sistema (fuera de la batería). El comparador U907 proporciona el indicador de estado de presencia de batería.
La protección de cortocircuito del conector de batería se conecta el modo NO Y (U906) con la funcionalidad de habilitar el cargador, inhabilitando así automáticamente el controlador de carga de batería U909 cuando está presente un cortocircuito. El controlador de carga de batería U909 reinicia automáticamente la carga si la tensión de batería cae por debajo de un umbral interno, y entra automáticamente en modo reposo cuando se elimina el suministro a VCC.
Teoría de operación
Obsérvese que las entradas y salidas del circuito de las Figuras 7A - 7C pueden resumirse como sigue:
Figure imgf000009_0001
VBUS, la tensión de entrada, se presenta a través de Q904a al terminal de entrada USB del controlador de carga de batería U909. Se usa Q904 para protección de sobretensión y es controlado por U912 (detección de tensión baja de 3,0 V, LMS33460 de National Semiconductor) cuya tensión de entrada se proporciona a través del divisor de resistencias R937 y R925 R926. Su salida de drenaje abierto mantiene Q904 en saturación mientras VBUS / (R937 R925 R926) * (R925 R926) < 3,0 V, lo que proporciona una protección de sobretensión por encima de ~5,8 V.
Mientras está presente la entrada USB al controlador de carga de batería U909, el límite de corriente de 100 mA y 500 mA podría seleccionarse a través de CHRG_B (CHRG_B = BAJO proporciona 100 mA, y CHRG_B = ALTO proporciona 500 mA). La resistencia R941 fija por defecto el nivel lógico BAJO en la entrada ISET2 de U909, permitiendo así un límite de corriente por defecto de 100mA. Esto es importante dado que hace que el sistema cumpla con las especificaciones USB cuando funciona con batería baja/muerta o sin ella. Un dispositivo USB está 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 saturación (CORTE) mientras esta en el modo de reposición y por lo tanto fija la tensión de puerta de Q904b a su nivel de fuente (al nivel de la tensión VBUS) lo que inhabilita la presencia de VBUS en la entrada AC del controlador de carga de batería, controlador U909. Las resistencias R932 y R936 son resistencias de polarización a la fuente para Q904.
La corriente de carga de 750 mA (usada para fuentes de alimentación no USB) podría seleccionarse mediante el ajuste de CHRG_A = ALTO, lo que fija Q905a en saturación (CONDUCCIÓN) y a su vez pone asimismo a Q904b en saturación (CONDUCCIÓN), presentando la tensión VBUS en la entrada AC del controlador de carga de batería U909. Como una entrada AC a U909 proporciona anulación sobre la entrada USB (si la tensión 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 parásita puerta a drenaje (la capacidad puerta a drenaje podría cargar la puerta, si se polariza a su fuente en el tiempo RC) durante respuestas transitorias rápidas de la tensión VBUS, y permite a la puerta cargarse rápidamente al nivel de VBUS manteniendo a Q904b en saturación. La resistencia R935 se usa para limitar la corriente de descarga de C925 de modo que Q905a no exceda sus límites especificados. R933 es una resistencia de polarización a tierra que impide que la entrada AC al controlador de carga de batería U909 quede flotante. C926 y C927 son condensadores de derivación de la entrada. Es importante mantener la capacidad de entrada total por debajo de 10 pF para cumplir con la especificación de corriente de cresta de arranque USB.
La corriente total que el sistema extrae de VBUS, no debería superar los 500 pA cuando está en modo suspendido. Esto se consigue principalmente con una corriente de funcionamiento muy baja del controlador de carga de batería U909 (normalmente < 100 pA) en el modo de funcionamiento desconectado. Q905b se usa para inhabilitar el elevador de tensión LBAT cuando el controlador de carga de batería U909 no está proporcionando ninguna corriente a la batería 24 y/o al dispositivo portátil 18. Hace esto mediante el cortocircuito de la entrada positiva de U905 lo que hace que su salida controle a Q908 en saturación (conducción).
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 polarización 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 alimentación) 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 tensión LBAT fijado por el U905 y Q908 cuando se funciona con batería baja/muerta o sin ella), provocando que su salida de drenaje abierto (salida de fallo de alimentación - PFO) vaya a Tierra (GND). Esto forzaría al nodo de entrada positivo de U905 al ir a Tierra y poner al Q908 en saturación (CONDUCCIÓN). Este conjunto de circuitos crea un umbral de bloqueo por tensión baja (UVLO) para el circuito de elevación 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 batería 24 desconecta internamente por debajo de 2,5 V). Dicha condición provocaría que el sistema se reinicie (para niveles de tensión de batería más bajos que el valor de LBAT mínimo preestablecido) dado que el U905/Q908 trataría de mantener la tensión LBAT, al valor actual, desconectando la batería 24 y pensando que el controlador de carga de batería U909 está entregando suficiente corriente.
La segunda funcionalidad de U908 es la anulación de arranque sobre el terminal de entrada de U909-CE, que proporciona energía al sistema en un mínimo 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 después de 100 ms. Esto mantiene el controlador de carga de batería U909 habilitado durante ese tiempo.
El U906a proporciona funcionalidad en modo NO Y de CHRG_EN y presencia de cortocircuito en el conector de batería. Una batería en cortocircuito inhabilita el controlador de carga de batería U909 por hardware. Al tener la tensión en VBAT, la línea de control CHRG_EN podría habilitar o inhabilitar el controlador de carga de batería U909 (CHRG_EN = ALTO habilitaría el controlador de carga de batería U909 poniendo bajo el terminal de entrada MR de U908). R921 proporciona aislamiento desde la batería y entrada de U906a de modo que el drenaje de corriente esté limitado al máximo de 42 pA incluso aunque U906 cree entradas y salidas de HIZ (alta impedancia) cuando no hay energía presente en su v Cc .
R924 proporciona nivel de entrada BAJO por defecto para U906a durante la reposición del procesador central. R920 es la resistencia de polarización a la fuente para CHRG_FLG haciéndola válida solamente durante el tiempo en que está habilitado el controlador de carga de batería U909.
U907 produce indicador de presencia de batería para la entrada de supervisión BAT_IC desde el paquete de baterías. Su salida estaría a nivel lógico ALTO en cualquier momento en que esté presente la resistencia BAT_ID y su polarización a la fuente se proporciona mediante la señal BAT_CHK.
El regulador de caída de tensión U901 (TK71733SCL de TOKO) proporciona una alimentación de 3,3 V regulada para las resistencias de polarización a la fuente de la línea de datos USB, así como una alimentación de 3,3 V para varios componentes en el circuito del cargador y como un indicador de que está unida una fuente externa (EXT_PWR_CD). U901 tiene polarización inversa y protección de sobrecorriente, protección de corte térmico y de cortocircuito integradas.
El U901 proporciona energía para U906, U908, y U905 así como la tensión de 3,3 V para la resistencia de polarización a la fuente. Se usa también para proporcionar la indicación 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 derivación 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 derivación para referencia interna.
Q907 se usa para conmutar la tensión USB_VPU y permitir la identificación suave en el bus USB. R909 proporciona la condición de DESCONEXIÓN por defecto para P-FET y R905 proporciona la descarga rápida de la línea de control USB_SFTCN (durante el RST o inicio suspendido sin presencia de batería).
U904 proporciona tensión de alimentación para el chip transceptor USB (es un regulador de tensión estándar como es conocido en la técnica). Está habilitado cuando está presente VBUS y corta automáticamente la alimentación cuando VBUS va a DESCONEXIÓN. C921 y C913 son condensadores de filtro de salida. U904 puede eliminarse opcionalmente para ahorrar costes; R942 debería añadirse entonces para alimentar energía al chip transceptor USB. U904 solo se requeriría si el chip transceptor no cumple con los requisitos de corriente de USB suspendida (y nuestro dispositivo puede despertar de suspensión mirando solo a las respuestas de la línea D+/D-).
U905 y Q908 se usan principalmente para mantener L_BAT = VBAT, cuando no está presente VBUS, y para mantener L_BAT a al menos 3,6 V cuando está presente VBUS (mientras el cargador está proporcionando corriente al sistema) y la tensión de batería es menor de 3,6 V. Se usa también para dividir la disipación de energía total en dos (entre el elemento de paso principal del controlador de carga de batería y Q908) para permitir corrientes de carga más altas en todos los niveles de tensión de batería.
Otra importante funcionalidad de este circuito es permitir la identificación de USB cuando la batería está baja/muerta o no presente, permitiendo al sistema despertar en 15 ms cuando la batería no está presente, o está muerta. Una vez que el U909 proporciona toda la corriente programada, los U905/Q908 mantendrán la tensión pre-programada mínima 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 elevación lenta de LBAT de modo que el controlador de carga de batería U909 pueda proporcionar toda la corriente programada hasta que Q908 solicite un incremento de tensión en L_BAT (si es necesario). Los divisores de resistencia R916 y R915 se usan para fijar la “tensión mínima” en L_BAT, mientras R914 proporciona una resistencia de polarización a tierra para la puerta de Q908.
U907 proporciona al sistema indicación de presencia de batería. R927 y R929 se usan para fijar la referencia y R928 que la resistencia de polarización 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 variarán, naturalmente, con la aplicación y los parámetros de diseño.
Realizaciones de software
En lugar de usar solo hardware electrónico como se ha mostrado anteriormente, la invención puede implementarse también usando una combinación de componentes de hardware y software, incluyendo dispositivos programabas tales como procesadores de señal digital (DSP), microcontroladores, matrices de puertas programables en campo (FPGA), circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) y similares. Dicha realización podría implementarse tal como se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 8.
Como las realizaciones descritas anteriormente, este método puede usarse para cargar cualquier batería recargable en un dispositivo electrónico portátil o similar. Se podría usar cualquier fuente de alimentación externa, aunque la invención es más útil con fuentes de alimentación de capacidad limitada.
Como se muestra en la Figura 8, el método de la invención comienza en la etapa 90 mediante la conexión de la entrada de un controlador de carga de batería 20 a una fuente de alimentación externa, preferentemente a través de un cable USB y conectores 16, y una estación 10 para mantener el dispositivo portátil 18. La salida del controlador de carga de batería 20 se conecta en paralelo, al dispositivo portátil 18 y a la entrada del interruptor de semiconductor Q1, según la etapa 92, y la salida de dicho interruptor de semiconductor Q1 se conecta a la batería recargable 24 según la etapa 94.
A continuación, se controla la salida de corriente del controlador de carga de batería 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 analógico) de un microcontrolador para enviar una señal apropiada a la entrada de control de corriente del controlador de carga de batería 20.
Se mide entonces la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20, en la etapa 98. Esta tarea podría realizarse también de muchas formas. Por ejemplo, muchos microcontroladores provistos con CAD (convertidores analógico a digital) que podrían usarse para realizar esta función.
Debido a que la corriente se controla en la etapa 96, y la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20 se mide en la etapa 98, esta metodología puede reducir lo que hay de disipación de energía para el controlador de carga de batería 20. El método de la invención es capaz por lo tanto de controlar la disipación de energía mediante la modulación del interruptor de semiconductor Q1 en respuesta a la caída de tensión a través del controlador de carga de batería 20 en la etapa 100, reduciendo la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable 24 cuando la caída de tensión es demasiado grande.
En esta forma, está controlada la energía total disipada por el controlador de carga de batería 20; recibiendo el dispositivo portátil 18 la energía que necesita para funcionar y recibiendo la batería recargable 24 cualquier energía disponible adicional.
El balance del código de software necesario para realizar este algoritmo sería directo para un experto en la materia. Las etapas del método de la invención pueden realizarse en conjuntos de códigos de máquina ejecutables almacenados en varios formatos tales como código objeto o código fuente, integrado con el código de otros programas, implementado como sus rutinas, mediante llamadas a programas externos o mediante otras técnicas conocidas en la técnica.
Incluso aunque las realizaciones en hardware de la invención podrían codificarse en una forma de software tales como el lenguaje de desarrollo de hardware (código HDL) usado para fabricar circuitos integrados. Este HDL o código similar se podría almacenar sobre cualquier medio de memoria electrónica tal como disquetes, CD-ROM, memoria de acceso aleatorio (RAM) y memoria solo de lectura (ROM) de ordenador. Asimismo, las señales electrónicas que representan este código de software podían transmitirse también a través de una red de comunicaciones.
Opciones y alternativas
Aunque se han mostrado y descrito realizaciones particulares de la presente invención, es claro que pueden hacerse cambios y modificaciones a dichas realizaciones sin apartarse del verdadero alcance y espíritu de la invención. Por ejemplo:
1. el circuito de la invención puede usarse con cualquier forma de fuente de energía que tenga puertos USB. 2. podría cargarse cualquier forma de dispositivo eléctrico con dicho circuito incluyendo ordenadores portátiles, asistentes digitales personales (PDA), teléfonos celulares, dispositivos de correo inalámbrico y de busca; y 3. puede usarse cualquier forma de batería recargable incluyendo celdas de ion de litio simples o múltiples, de níquel cadmio u otros tipos.
De nuevo, dichas implementaciones serían claras para un experto en la materia a partir de las enseñanzas del presente documento, y no le apartan de la invención.
Aplicabilidad industrial
La presente invención proporciona un método y aparato para la carga de la batería en un dispositivo de comunicación portátil a partir de varias fuentes de alimentación.

Claims (30)

REIVINDICACIONES
1. 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” (12) externo 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.
2. El circuito de carga de batería de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
un semiconductor impulsor externo al controlador de carga de batería (20) y operativo para llevar la corriente de suministro desde el puerto USB (12) al dispositivo portátil (18) y a la batería recargable (24), en donde la corriente de suministro pasa a través del semiconductor impulsor externo en lugar de a través del controlador de carga de batería.
3. El circuito de carga de batería de la reivindicación 2, en el que el circuito de detección de tensión (30) incluye un amplificador operacional.
4. El circuito de carga de batería de la reivindicación 3, en donde el circuito de detección de tensión (30) comprende: un amplificador operacional configurado para comparar una señal de tensión desde el controlador de carga de batería (20) con una señal de tensión de referencia, y configurado adicionalmente para responder a una diferencia de tensión, en donde la señal de tensión es menor que la tensión de referencia, reduciendo la corriente a la batería recargable (24).
5. El circuito de carga de batería de la reivindicación 3, en el que el circuito de detección de tensión (30) incluye un amplificador operacional para la comparación de la tensión en la salida del controlador de carga de batería (20) con una tensión de referencia.
6. El circuito de carga de batería de la reivindicación 2, donde los componentes críticos de baja potencia del dispositivo portátil (18) se alimentan desde el controlador de carga de batería (20) y los componentes no críticos de alta potencia de dicho dispositivo portátil se alimentan desde la batería recargable (24).
7. El circuito de carga de batería de la reivindicación 6, donde los componentes críticos de baja potencia incluyen al menos uno de entre una memoria y un microprocesador.
8. El circuito de carga de batería de la reivindicación 6, donde los componentes no críticos de alta potencia incluyen al menos uno de entre el sistema de retroiluminación y un vibrador.
9. El circuito de carga de batería de la reivindicación 2, en el que el semiconductor impulsor externo incluye un transistor.
10. El circuito de carga de batería de la reivindicación 4, en el que el circuito amplificador operacional incluye adicionalmente un divisor de tensión para reducir la señal de tensión desde el controlador de carga de batería y la señal de tensión de referencia se reduce proporcionalmente.
11. El circuito de carga de batería de la reivindicación 2, en el que la corriente máxima predeterminada que puede extraerse desde dicho controlador de carga de batería (20) está limitada por una resistencia a tierra externa.
12. El circuito de carga de batería de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
un interruptor de semiconductor acoplado entre el controlador de carga de batería (20) y la batería recargable (24), estando el interruptor de semiconductor controlado por el circuito de detección de tensión para limitar la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable (24).
13. El circuito de carga de batería de la reivindicación 1, en el que puede configurarse el controlador de carga de batería (20) para fijar la corriente máxima predeterminada dependiendo de los límites de la corriente del puerto USB (12).
14. El circuito de carga de batería de la reivindicación 13, en el que la corriente máxima 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. El circuito de carga de batería de la reivindicación 1, en el que el controlador de carga de batería (20) está configurado adicionalmente para recibir energía desde una fuente no USB.
16. El circuito de carga de batería de la reivindicación 15, en el que el controlador de carga de batería (20) puede configurarse para fijar la corriente máxima predeterminada dependiendo de si la energía se recibe desde el puerto USB (12) o de la fuente no USB.
17. El circuito de carga de batería de la reivindicación 15, en el que la fuente no USB es un adaptador de enchufe de CA.
18. El circuito de carga de batería de la reivindicación 15, en el que la fuente no USB es un convertidor CC/CC para su uso con un automóvil.
19. El circuito de carga de batería de la reivindicación 15, en el que el controlador de carga de batería (20) puede configurarse para fijar la corriente máxima predeterminada a uno de una pluralidad de límites de corriente dependiendo de si la energía se recibe desde un puerto USB de baja potencia, un puerto USB de alta potencia o una fuente no USB.
20. El circuito de carga de batería de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
un interruptor de semiconductor configurado para aislar la batería recargable del dispositivo portátil.
21. El circuito de carga de batería de la reivindicación 20, en el que el interruptor de semiconductor está configurado adicionalmente para:
alimentar el resto de la energía a la batería recargable.
22. El circuito de carga de batería de la reivindicación 21, en el que el circuito de detección de tensión está configurado adicionalmente para:
controlar la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable a través del interruptor.
23. El circuito de carga de batería de la reivindicación 21, en el que el circuito de detección de tensión está configurado adicionalmente para:
reducir la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable a través del interruptor; en donde la cantidad de corriente reducida es mayor de 0.
24. El circuito de carga de batería de la reivindicación 21, estando el circuito de detección de tensión configurado adicionalmente para:
determinar una caída de tensión basándose en una comparación de una primera tensión a través del controlador de carga de batería con una tensión de referencia.
25. El circuito de carga de batería de la reivindicación 24, en el que el circuito de detección de tensión está configurado adicionalmente para:
restringir la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable a través del interruptor basándose en la caída de tensión.
26. El circuito de carga de batería de la reivindicación 1, en el que la corriente máxima predeterminada está dentro de un intervalo de energía que el controlador de carga de batería es capaz de disipar.
27. El circuito de carga de batería de la reivindicación 26, en el que el controlador de carga de batería está configurado adicionalmente para:
detectar un estado de funcionamiento;
en el que la capacidad de energía se basa en el estado de funcionamiento.
28. El circuito de carga de batería de la reivindicación 27, en el que el estado de funcionamiento es una detección de que la energía recibida procede de una fuente USB de alta potencia.
29. El circuito de carga de batería de la reivindicación 26, en el que el controlador de carga de batería está configurado adicionalmente para:
proporcionar una corriente de suministro máxima;
en donde la energía de salida se basa en la corriente de suministro máxima.
30. Un método para la carga de una batería recargable (24) para un dispositivo portátil (18) que utiliza energía suministrada desde un puerto del bus serie universal “USB” (12), que comprende:
recibir energía desde el puerto USB;
suministrar la energía recibida a la batería recargable y al dispositivo portátil, en donde la energía suministrada está limitada de modo que la batería recargable y el dispositivo portátil no puedan extraer más de una cantidad máxima predeterminada de corriente disponible desde el puerto USB;
medir, usando un circuito de detección de tensión, una caída de tensión a través de un circuito usado para suministrar la energía recibida a la batería recargable y al dispositivo portátil, en donde dicho circuito usado para suministrar la potencia recibida a la batería recargable y al dispositivo portátil es un controlador de carga de batería; y
controlar la cantidad de corriente suministrada a la batería recargable en función de la caída de tensión medida de modo que el dispositivo portátil reciba una cantidad predeterminada de la energía recibida necesaria para funcionar y la batería recargable reciba un resto de la energía recibida.
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