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Carga Li-Íon Via USB (ART690)

A USB (Universal Serial Bus) cada vez se populariza como interface entre computadores e periféricos. Além disso, a quantidade de aplicações eletrônicas que se aproveitam da energia disponível nessa linha cresceu. Em especial destacamos o uso da USB para carregar baterias de Li-Íon, havendo diversos produtos comerciais que oferecem esse recurso com facilidade. Nesse artigo procuramos resumir as idéias básicas de alguns fabricantes de componentes, apresentando circuitos que podem ser usados para essa finalidade. Os leitores que desejarem informações mais completas (em inglês) podem acessar os sites dos diversos fabricantes e obter a documentação completa. Mais do que nunca, nesta revisão de 2012 os aplicativos alimentados pela USB se tornam populares, desde os carregadores de celulares e baterias até mesmo a alimentação de pequenos poeriféricos.

Existem diversas aplicações que podem ser alimentadas diretamente pela tensão disponível na porta USB (Universal Serial Bus) de um computador.

Evidentemente, a disponibilidade de energia dessa porta é pequena e apenas pequenos dispositivos ou dispositivos de baixo consumo podem aproveitar essa fonte de energia. Na verdade, a corrente máxima disponível, segundo as especificações USB 2.0 é de 500 mA com uma tensão de 5 V, quando programada no modo de alta potência.

Lembramos que ela admite uma programação de baixa potência, quando então a corrente fornecida é menor. Essa é a opção default (assumida por falta) quando se usa essa porta na prática.

A mesma especificação permite uma queda de tensão de até 350 mV no cabo, quando drenando a corrente máxima, o que resulta em aproximadamente 5 metros (16 pés) o comprimento máximo desse tipo de conexão. Nessas condições, a tensão que chegará ao periférico alimentado será da ordem de 4,4 V.

Veja que, nas especificações gerais, prevê-se que os dispositivos ligados não consumam mais do que 100 mA, mas como os dispositivos conectados em geral não funcionam ao mesmo tempo, não podemos dizer que o número máximo de dispositivos ligados seja 5. Pode ser maior, desde que não funcionem ao mesmo tempo.

Mesmo não sendo muito a energia disponível, MP3 players, câmeras, assistentes pessoais de dados (pen-drivers) e até mesmo telefones celulares podem usar a USB para sua alimentação, assim como carregadores que é justamente o tema desse artigo.

Na figura 1 temos a configuração de um cabo USB de 4 condutores com a identificação desses condutores internos.

 

Figura 1
Figura 1

 

 

Carregando Baterias

Com a utilização de um circuito apropriado é possível então usar a energia disponível numa porta USB para carregar células Li-Ion. As possibilidades vão desde uma simples fonte de corrente constante até circuitos mais sofisticados como os sugeridos pela Maxim.

Assim, um primeiro circuito que sugerimos ao leitor é o baseado no circuito integrado Lm3648 da National Semiconductor (www.national.com). Esse circuito tem duas opções de alimentação, selecionadas pela simples escolha da entrada de tensão: USB ou um adaptador AC. A vantagem do uso do adaptador é que, com ele a carga é mais rápida pois a corrente pode chegar a 1 000 mA.

Com a USB, dependendo do modo como ela é programada a corrente será de 100 mA ou 500 mA, conforme já vimos anteriormente.

 

Figura 2
Figura 2

 

A tensão de saída é mantida em 4,2 v o que permite carregar mais de uma bateria ao mesmo tempo. A grande vantagem desse circuito está no uso de pouquíssimos componentes externos e além disso, o eliminador de pilhas não precisa ser regulado ou ter limitação de corrente.

Veja que esse circuito pode ainda ser usado como fonte regulada quando nenhuma bateria estiver ligada em sua saída.

Na figura 3 temos uma outra solução para a carga de baterias Li-Ion, desta vez sugerida pela Texas Instruments (www.ti.com).

 

Figura 3
Figura 3

 

O circuito integrado usado é o bq2501HL que consiste num carregador, conversor DC/DC sendo indicado para equipamentos portáteis com tecnologia Bluetooth.

Esse circuito tanto carrega a bateria como também gerencia o fornecimento dessas baterias à aplicação Bluetooth, fixando a tensão de alimentação em 3,3 V.

Uma característica importante desse circuito integrado é que ele tem o FET de potência integrado e pode operar tanto no modo de carga de 100 como de 500 mA.

O circuito dado a seguir é sugerido pela Maxim (www.maxim-ic.com) sendo indicado para cargas de 200 mA. Esse circuito, mostrado na figura 4, se baseia no MAX8881 e MAX1555.

 

Figura 4
Figura 4

 

Nesse circuito também temos a possibilidade de usar um adaptador AC com uma corrente de 350 mA. Se a uSB e o adaptador forem ligados ao mesmo tempo, o circuito dá preferência ao adaptador para fazer a carga com corrente mais intensa, e por esse motivo mais rápida.

Um outro circuito de carga de baterias Li-Ion via USB, também sugerido pela Maxim, é o mostrado na figura 5.

A base desse carregador é o circuito integrado MAX1874, operando com uma corrente máxima de 500 mA no modo de alta potência da USB ou então entre 720 mA e 2 A se for usado um adaptador. Veja nesse caso que a tensão do adaptador pode ser muito maior do que no circuito anterior.

Esse circuito, entretanto, é mais complexo no sentido de que precisa de três FETs de potência externos, além de um número razoável de componentes passivos.

 

Figura 5
Figura 5

 

Na figura 6 temos mais um circuito, desta vez sugerido pela Linear Technology (www.linear.com), usando uma configuração relativamente simples que faz uso de um circuito integrado e um MOSFET de potência.

O circuito consiste num carregador de corrente constante com uma precisão de corrente de saída melhor que 1% numa ampla faixa de temperaturas. A tensão de saída pode ser fixada internamente tanto para 4,1 V como 4,2 V (conforme o tipo - indicado pelo sufixo).

No início do ciclo da carga, se a tensão de carga da bateria estiver abaixo de 2,45 V, o circuito aplicará uma corrente de apenas 10% da corrente máxima, de modo a evitar danos. Uma vez que a tensão da bateria supere os 2,457 V, a carga normal começa com uma corrente que pode ser programa externamente e por um tempo também programado por um timer.

Quando a corrente de carga cai 10% abaixo do valor máximo, indicando que a bateria se encontra carregada, o circuito indica isso por um LED e tem o processo de carga cortado.

 

Figura 6
Figura 6

 

Finalmente, temos o circuito da figura 7, sugerido pela Microsemi, com base no LX2206, com características que se adaptam perfeitamente a esse tipo de aplicação com um mínimo de componentes externos.

O circuito pode ser programado para realizar cargas com correntes entre 50 mA e 1 a conforme o tipo de fonte usada, USB ou adaptador AC. A corrente final de carga de 1/10 da corrente nominal, também pode ser programada nesse circuito.

 

Figura 7
Figura 7

 

Esse circuito também possui um indicador de power good e um monitor para a temperatura da bateria em carga.

 

Conclusão

Cada vez mais aplicativos fazem uso de baterias Li-Íon que precisam de recarga de tempos em tempos. Como muitos desses dispositivos estão diretamente ligados ao PC, ou são usados por alguém que está perto de um PC ou o usa constantemente, por que não aproveitar a USB para o processo de recarga?

As soluções para isso são muitas podendo gerar produtos interessantes de baixo custo e com um mercado crescente em nosso país onde esse processo ainda não é muito adotado. Nesse artigo mostramos algumas soluções dadas para isso.

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