Introducción
El aumento de la demanda de dispositivos electrónicos portátiles ha impulsado la necesidad de sistemas de gestión de energía eficaces y portátiles. Los cargadores portátiles se han convertido en accesorios indispensables, ya que ofrecen una fuente de alimentación de respaldo fiable para teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos alimentados por USB. Utilizando placas de demostración de evaluación, primero creamos una solución de cargador de batería portátil modular como prueba de concepto. Este prototipo se montó apilando placas de demostración y, posteriormente, evolucionó hasta convertirse en una solución monoplaca con un rendimiento mejorado y otras mejoras. Esta solución acepta múltiples fuentes de entrada, como baterías, energía solar o adaptadores de CC, y gestiona de forma inteligente el flujo de energía para cargar la batería y alimentar simultáneamente la carga.
El objetivo de este artículo es explorar las funciones de gestión inteligente de la ruta de alimentación de los circuitos integrados de Analog Devices en un diseño compacto sin comprometer el rendimiento. En él se describen las consideraciones de diseño, el concepto y la evaluación del rendimiento de la solución monoplaca, y se destacan sus mejoras con respecto a la placa múltiple de prueba de concepto.

Diseño del bloque de diseño
En este diseño de disposición, se ha desarrollado una arquitectura compacta y optimizada para admitir dos voltajes de entrada de amplio rango, concretamente, desde un panel solar y un adaptador de CA a CC. La entrada de alimentación se gestiona de forma inteligente utilizando el controlador de ruta de alimentación LTC4416 junto con el cargador reductor de ruta de alimentación LTC4162. Esta configuración permite la carga eficiente de diversas baterías de iones de litio con configuraciones de hasta 4S1P.

Figura 1. Bloque de diseño monoplaca.

Como se ilustra en la figura 1, el sistema cuenta con un regulador de conmutación buck-boost, LTC3115-1, que regula dinámicamente la tensión de salida a la carga y garantiza una salida máxima constante de 5 V y 2 A, mientras que el LTC4162 supervisa el nivel de carga de la batería.

Selección de componentes y diseño de la disposición
Las tres partes principales optimizan el rendimiento del sistema basándose en la configuración del bloque de diseño. Estas partes se seleccionaron para mejorar la eficiencia del sistema, minimizar la pérdida de potencia, reducir el espacio de diseño de la placa de circuito impreso y reducir el coste total. Su diseño esquemático se muestra en Figura 2.

Figura 2. Diseño esquemático monoplaca.

1. Fuentes de entrada duales con el LTC4416
Se puede emplear una sencilla configuración de puerta OR, utilizando diodos, para cambiar entre dos fuentes de alimentación de entrada. Sin embargo, este enfoque introduce una pérdida de potencia significativa debido a la caída de tensión directa inherente a los diodos, incluso cuando se utilizan diodos Schottky de baja caída. El LTC4416 crea una conmutación perfecta entre dos fuentes con una caída de tensión muy baja, lo que reduce la pérdida de potencia. Al controlar los MOSFET de canal P externos para emular diodos ideales, este dispositivo reduce significativamente las pérdidas por conducción, mejorando así la eficiencia y la fiabilidad generales del sistema.
El LTC4416 funciona en seis modos diferentes. Cada modo de funcionamiento depende de la configuración de los pines de entrada E1 y E2, tal y como se indica en la hoja de datos. En esta configuración, el modo seleccionado es: V1 es mayor que V2, donde E1 se establece en Sense y E2 se establece en 0. Esto significa que el chip da prioridad a la fuente de alimentación V1. Con este modo de funcionamiento, el IC se configura de tal manera que se da prioridad a V1 para aceptar un amplio rango de tensión de entrada de 15 V a 35 V CC, mientras que la fuente de alimentación V2 es un panel solar (de 3,6 V a 15 V) que actúa como tensión secundaria. Cuando V1 es mayor o igual a 15 V, E1 permite que la fuente V1 sea la fuente de tensión principal y desactiva la fuente V2, ya que V1 es mayor que V2.
Cuando V1 cae a 13,4 V, V2 se convierte en la fuente de alimentación principal, mientras que V1 se desconecta de la salida. Siempre que el voltaje del panel solar esté entre 3,6 V y 15 V, V2 seguirá suministrando energía a la carga de salida hasta que se restablezca V1. El punto de restablecimiento de V1 se establece en 15 V, como se muestra en la figura 2.
El punto de fallo y restauración de V1 se puede modificar cambiando los valores de las resistencias R1, R2 y R3 de la figura 2. Esto se puede hacer utilizando la fórmula que se indica en la hoja de datos:

Una vez identificada V1, se puede elegir V2 para garantizar la mejor configuración. Si V1 falla o deja de estar disponible, el sistema cambia automáticamente a V2 para mantener el suministro eléctrico hasta que se alcance el punto de restauración, siempre que V1 > V2. Dado que la salida de alimentación sigue la fuente de tensión más alta, la restauración no se producirá si V2 > V1.

2. Gestión inteligente de la ruta de alimentación
En aplicaciones como los cargadores portátiles y otros dispositivos que requieren el uso y la carga simultáneos de la batería, la implementación de la carga por ruta de alimentación es una solución ideal. Este enfoque ayuda a optimizar el rendimiento de la batería y a prolongar su ciclo de vida general mediante una gestión eficiente de la distribución de energía entre el sistema y la batería. El sistema gestiona de forma inteligente la entrada de energía seleccionando entre tres fuentes: el adaptador de CA a CC, el panel solar o la batería. El adaptador de CA a CC o el panel solar se utilizan principalmente para cargar la batería.
Si el adaptador de CA a CC falla y el voltaje del panel solar cae por debajo del valor mínimo, el sistema cambia automáticamente a la batería de respaldo cargada para suministrar energía a la carga. La salida de la ruta de alimentación del LTC4416 se alimenta al LTC4162-L, que admite voltajes de entrada de hasta un máximo de 35 V.
El LTC4162-L admite el funcionamiento inmediato incluso con una batería descargada o ausente y cuenta con un sistema integrado de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para mejorar la eficiencia de la conversión de la energía solar.
Bajo la luz solar intensa, el panel solar funciona en dos regiones: baja impedancia a voltaje constante y alta impedancia a corriente constante. Este comportamiento garantiza que el bucle de control del dispositivo se mantenga estable cuando funciona a una impedancia más baja (por ejemplo, la región de voltaje más alto). Sin embargo, como el circuito integrado utiliza el voltaje de entrada para encontrar el MPPT, el voltaje del panel solar cae debido a la mayor impedancia (por ejemplo, la región de voltaje más bajo), lo que hace que el bucle de control se vuelva inestable. En el diseño, la entrada del panel solar funciona a alta impedancia (<12 V). Para solucionar esto, se utiliza la red R-C (R4 y C1), como se muestra en la figura 2, para corregir la inestabilidad del bucle de control, especialmente en condiciones de luz solar variable. Para paneles solares de baja potencia, se recomienda un valor de capacitancia más alto para C1 (entre 100 µF y 1000 µF) para garantizar un rendimiento robusto del MPPT.

3. Batería de iones de litio de respaldo
El cargador de baterías LTC4162 admite configuraciones de hasta ocho celdas de iones de litio conectadas en serie (8S) y está disponible en múltiples variantes optimizadas para diferentes composiciones químicas de baterías: LTC4162-L para iones de litio, LTC4162-F para fosfato de hierro y litio (LiFePO ) y LTC4162-S para baterías de plomo-ácido. En este diseño, hemos implementado la compatibilidad con configuraciones de hasta 4S (alimentación de 1S a 4S) de celdas de iones de litio apiladas, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Ajustes de configuración de la batería

Esta configuración se define utilizando los pines CELLS1 y CELLS0, siguiendo las directrices de asignación proporcionadas en la Tabla 1.

4. Regulador de conmutación
La salida del LTC4162-L se regula a continuación mediante un regulador de conmutación síncrono buck-boost. El LTC3115-1 es un convertidor CC-CC buck-boost síncrono monolítico de alta eficiencia diseñado para aplicaciones que requieren un amplio rango de tensión de entrada y bajo ruido. Funciona entre 2,7 V y 40 V y puede suministrar hasta 2 A de corriente continua. Este regulador de conmutación también cuenta con tensión de salida programable, transición fluida entre los modos buck y boost, y robustas funciones de protección, lo que lo hace adecuado para aplicaciones industriales y alimentadas por batería.
Se seleccionó para este diseño debido a su excelente eficiencia y funcionamiento silencioso. El convertidor puede suministrar hasta 2 A cuando la tensión de entrada supera los 6 V, y 1 A para tensiones superiores a 3,6 V, lo que lo hace muy adaptable a condiciones de alimentación variables. Para todas las configuraciones de batería (1S, 2S, 3S, 4S), se configuró un bloqueo por subtensión (UVLO) a través del conector, como se muestra en la figura 2 (conector J5).

5. Salida USB tipo C
La salida se configuró con un USB tipo C en modo sin suministro de energía (PD) para cargar cualquier dispositivo portátil que requiera una salida regulada de 5 V con una corriente de hasta 2 A. La tabla 2 describe la elección de los valores de resistencia para diferentes fuentes de corriente para el puerto USB.

Tabla 2. Corriente suministrada del USB tipo C sin PD

Rendimiento de placa única
La placa se diseñó específicamente como una PCB de 4 capas para garantizar un funcionamiento estable, sin ruidos y eficiente, como se muestra en la figura 3. La disposición sigue una configuración de apilamiento SIG/Power – GND – GND – SIG/Power, y las recomendaciones proporcionadas en la hoja de datos para la colocación de los componentes de cada pieza. La placa recibe alimentación de dos entradas, V1 y V2, que se utilizan para cargar la batería y alimentar la carga. Si falla la fuente de alimentación principal, el panel solar toma el relevo durante la alta intensidad solar y proporciona energía a la carga mientras carga la batería. Por la noche o cuando la intensidad solar es débil y el voltaje del panel solar cae, el sistema lo detecta automáticamente y cambia a la alimentación de la batería para mantener la carga en funcionamiento.

Figura 3. Solución de placa única en funcionamiento y probada.

Figura 4. Análisis de respuesta transitoria y por pasos.
Suponiendo una configuración de batería 1S, si el voltaje de la batería cae por debajo de 3,3 V, el LTC3115-1 se apagará automáticamente para proteger la batería activando la función UVLO. Este mecanismo ayuda a evitar descargas profundas, que pueden dañar la batería o reducir su vida útil. El umbral UVLO se puede ajustar con precisión para cada configuración de batería cambiando los valores de las resistencias R7, R19, R27 y R21. Esto se puede lograr utilizando la fórmula UVLO de la hoja de datos del LTC3115-1. Esto permitirá establecer el límite de voltaje mínimo en tan solo 3,0 V, dependiendo de los requisitos de la aplicación.
Para proteger el circuito contra conexiones incorrectas de la batería, se ha implementado una protección contra polaridad inversa mediante un diodo (D3) y un fusible (FUSE1). Además, la entrada está protegida adicionalmente contra situaciones de tensión inversa por los diodos del cuerpo de los MOSFET Q1, Q4 y Q3, que actúan como barrera contra el flujo de corriente no deseado.
El comportamiento dinámico del sistema en condiciones de carga variables se ilustra a través de sus características de respuesta escalonada y respuesta transitoria, como se muestra en la figura 4, que muestra el rendimiento del bucle de control y la eficacia de la red de compensación aplicada en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. La figura 5 ilustra el comportamiento de conmutación prioritaria de la salida del LTC4416, a medida que V1 disminuye desde un voltaje más alto hasta 15 V. La salida del dispositivo pasa sin problemas a V2 a 8 V, lo que garantiza que la carga de salida e e no se vea afectada por el cambio de voltaje. Mientras tanto, el punto de restauración de V1 se establece en 16,8 V.

Figura 5. Conmutación prioritaria del LTC4416 de V1 (15 V) a V2 (8 V) con un voltaje de carga de salida constante (VOUTfijo = 5 V; corriente de carga = 1 A, R1 = 281 kΩ y R3 = 24,9 kΩ).

Comparación de las placas de demostración apiladas con una placa única
Esta sección ofrece una comparación exhaustiva entre la configuración de la placa multidemo prototipo y la solución de placa única recientemente desarrollada. En el prototipo, el diseño utilizaba tres placas de demostración independientes: la LTC4416 para el control ideal de la ruta de alimentación del diodo, la LTC4162-L para la carga de la batería y la gestión de la alimentación, y la placa cargadora USB CN0509. La CN0509 destacaba especialmente por su amplio rango de tensión de entrada, de 5 V a 100 V, y su capacidad para proporcionar una salida regulada de 5 V con hasta 2 A. Combina el convertidor reductor LTC7103 y el convertidor flyback aislado LT8302 para ofrecer aislamiento galvánico entre la entrada y la salida.

Figura 6. Dimensiones de la placa de demostración apilada prototipo frente a las de la placa única.

Por el contrario, la placa única consolida estas funcionalidades sustituyendo el LTC7103 y el LT8302 por un único componente: el LTC3115-1. El objetivo de esta transición era mejorar el rendimiento general del sistema, con mejoras en la eficiencia, la reducción del tamaño físico y una lista de materiales más rentable. Aunque se sacrificaron ciertas características, como la salida aislada, la compensación dio como resultado un diseño más optimizado y práctico, adecuado para aplicaciones escalables.

Tamaño físico de la placa
La implementación de una solución de placa única optimiza significativamente el diseño general del sistema al reducir el número de materiales (BOM) en aproximadamente un 30 % y su tamaño, como se muestra en la figura 6.
Además, la naturaleza compacta de la solución de placa única contribuye a una arquitectura del sistema de alimentación más eficiente. Al integrar múltiples funcionalidades en una plataforma unificada, el diseño se vuelve más eficiente en cuanto al espacio, lo que permite factores de forma más pequeños sin comprometer el rendimiento. Esto es especialmente beneficioso en aplicaciones en las que las limitaciones de espacio son críticas, como los dispositivos electrónicos portátiles.

Eficiencia
Una de las mejoras más impactantes de esta placa es su capacidad para suministrar energía con alta eficiencia. El suministro de energía optimizado reduce las pérdidas de energía, lo que, a su vez, permite tiempos de funcionamiento más largos y un mejor rendimiento térmico. La alta eficiencia es valiosa en dispositivos alimentados por batería, donde la conservación de energía se traduce directamente en ciclos de vida útil de la batería más prolongados. Al minimizar el desperdicio de energía y maximizar su utilización, la solución de placa única desempeña un papel crucial en la mejora del rendimiento del sistema. La figura 7 muestra que el rendimiento de la solución de placa única alcanza una eficiencia máxima del 92,94 % con una entrada de 8 V y del 91 % con una entrada de 10 V. En comparación, la placa de demostración apilada prototipo solo alcanzó una eficiencia máxima del 73,79 % con una entrada de 10 V. La baja eficiencia de la placa de demostración apilada prototipo se debe claramente a las pérdidas de energía en los cables utilizados para conectar las múltiples placas, así como a las pérdidas en la sección del convertidor flyback.5
Cuando ambas fuentes de entrada fallan, la batería alimenta automáticamente la carga. Utilizando una configuración de batería 2S con un voltaje nominal de 7,4 V, la solución de placa única alcanza una eficiencia máxima del 94,52 %, en comparación con el 77,12 % de la placa de demostración apilada prototipo. Esto indica que el diseño de placa única conserva la energía de la batería de forma más eficaz durante el funcionamiento del sistema, como se muestra en la figura 7. A partir de la solución optimizada de placa única, se alcanza una corriente de salida máxima de 2 A a partir de una tensión de entrada de 6 V, mientras que en la placa prototipo anterior se alcanza una corriente máxima de 2 A a partir de 12 V, como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Regulación de la corriente de salida y eficiencia (placa única frente a placa de demostración apilada prototipada).

Conclusión
Se ha desarrollado una solución compacta e integrada de banco de energía de placa única utilizando componentes ADI. Este diseño refinado presenta una disposición optimizada que mejora la eficiencia general y reduce el espacio físico ocupado. La arquitectura es versátil y adaptable, lo que la hace adecuada para una amplia gama de aplicaciones que involucran dispositivos alimentados por batería. Admite la gestión inteligente de la ruta de alimentación, lo que prolongará la vida útil de la batería.
Este concepto se puede utilizar en sistemas automovilísticos integrados para combinar la entrada fotovoltaica con otras fuentes de alimentación y baterías de respaldo en la producción a gran escala. En tales configuraciones, se pueden utilizar productos ADI de alta potencia como el LTC4020.

Referencia
Diarmuid, Carey. «Cómo crear un prototipo de cargador de batería portátil sin construir ningún hardware específico». Analog Dialogue, febrero de 2023.

Acerca del autor

El Dr. Uchechukwu Maduagwu trabaja como ingeniero de aplicaciones en el equipo central de aplicaciones de Dublín. Se incorporó a Analog Devices en 2023 y proporciona soporte de diseño para la cartera de gestión de energía, prestando servicio a clientes del mercado europeo en general. Uchechukwu tiene títulos

• cargador portátil solar
• energia solar fotovoltaica