¿Qué es un cargador/batería con MCU incorporado? Tecnología de carga de próxima generación que logra miniaturización, alta eficiencia y larga vida útil.

Cargadores de batería con MCU incorporado controlan con alta precisión funciones de protección como el perfil de carga, OVP y OCP en un solo chip. Las actualizaciones de firmware permiten cambios de especificaciones fácilmente y, con UNIFIVE, es posible realizar personalizaciones según el uso.

Cargador de baterias con MCU integrada es una tecnologia de carga de ultima generacion que controla en un solo chip, mediante un microcontrolador (MCU), el perfil de carga (metodo) y diversas funciones de proteccion como OVP/OCP.

En comparacion con los cargadores tradicionales de control analogico, el avanzado control digital mediante MCU permite lograr una carga de alta precision y alta seguridad, ademas de posibilitar cambios flexibles en las especificaciones mediante actualizacion de firmware.

UNIFIVE ofrece soluciones de carga con MCU integrada que permiten adaptaciones personalizadas segun la aplicacion del cliente, contribuyendo a la miniaturizacion, mayor eficiencia y prolongacion de la vida util de la bateria.

Que es una MCU? Fundamentos del microcontrolador

MCU (Microcontroller Unit) es una computadora ultracompacta que integra en un solo chip la CPU, memoria y E/S. Se incorpora ampliamente en productos electronicos de consumo y equipos industriales, y en los ultimos anos tambien se ha integrado en cargadores de baterias para habilitar un control digital avanzado.

Al realizar mediante software el control que antes se llevaba a cabo con CI analogicos o circuitos de hardware, se logra integracion de funciones y control flexible.

En los cargadores con MCU integrada, la MCU lee en tiempo real el voltaje, la corriente y la temperatura de la bateria, y ajusta la corriente y el voltaje de carga optimos mediante algoritmos de software. Esto permite seguir con precision perfiles de carga complejos como los de baterias de ion de litio y configurar libremente diversos umbrales para optimizar cada tipo de bateria.

Tres razones por las que se eligen los cargadores de baterias con MCU integrada

1. Multifuncionalidad e integracion del sistema

Permite integrar en un solo chip el diagnostico del estado de la bateria (supervision de voltaje y temperatura), el control de carga, la comunicacion con dispositivos externos y controles de proteccion como proteccion contra sobretension (OVP) y sobrecorriente (OCP).

De este modo, funciones que antes requerian CI o circuitos independientes pueden ser cubiertas por una sola MCU, lo que conduce a reduccion del numero de componentes y mayor libertad en el diseno del circuito. El sistema completo puede integrarse de forma mas simple, mejorando tambien la fiabilidad.

2. Cambios flexibles de especificaciones mediante software

Una de las mayores ventajas de adoptar una MCU es la flexibilidad para modificar las especificaciones de carga. Dado que los algoritmos y perfiles de carga pueden ajustarse solo reescribiendo el software, es facil adaptarse posteriormente a nuevas quimicas de bateria u optimizar parametros de control.

Por ejemplo, es posible cambiar del metodo de carga CC-CV estandar a un metodo de carga por pulsos, o ajustar los umbrales de voltaje y corriente segun los valores recomendados por el fabricante de la bateria mediante una actualizacion de firmware.

Es posible anadir o mejorar funciones sin modificar el hardware, lo que permite acortar el periodo de desarrollo y crear disenos preparados para futuras actualizaciones.

3. Proteccion multiple y supervision en tiempo real

El MCU puede procesar la informacion de los sensores a alta velocidad, por lo que puede ejecutar con gran precision multiples funciones de proteccion como proteccion contra sobretension (OVP), proteccion contra sobrecorriente (OCP) y proteccion contra sobretemperatura (OTP).

Cuando se detecta una anomalia, es posible detener inmediatamente la carga o realizar un apagado seguro, logrando proteccion en tiempo real. Ademas, como los valores de voltaje, corriente y temperatura durante la carga pueden registrarse y transmitirse constantemente como datos de monitoreo, es posible evaluar el estado de la bateria y predecir su deterioro con alta precision.

Caracteristicas de los cargadores de bateria con MCU

Configuracion personalizada de funciones de proteccion

Los umbrales y los tiempos de retardo de activacion para diversas protecciones como OVP (proteccion contra sobretension), OCP (proteccion contra sobrecorriente) y OTP (proteccion contra sobrecalentamiento) pueden configurarse libremente segun la aplicacion.

Mediante el control del MCU, es posible realizar ajustes detallados como "a cuantos voltios detectar la sobretension" o "cuantos milisegundos despues de detectar una anomalia interrumpir el circuito". Esto permite lograr un funcionamiento de proteccion optimo segun el uso, evitando apagados innecesarios y protegiendo de forma fiable la bateria y los equipos.

Control automatico de corriente pico de larga duracion

Incluso cuando se requiere temporalmente una gran corriente debido a la carga, el MCU puede controlar mediante programacion la duracion de la corriente pico. Si la corriente pico continua mas alla del numero de segundos establecido, se reduce automaticamente hasta el valor nominal para evitar sobrecalentamiento y deterioro de los componentes.

Por ejemplo, es posible implementar perfiles de corriente flexibles como "permitir el 150% de la corriente maxima de salida durante 5 segundos y luego volver a la corriente normal". Esto permite equilibrar el suministro de corriente de arranque con una larga vida util y seguridad.

Supervision integrada de multiples salidas

Con un solo MCU se pueden supervisar y controlar conjuntamente los voltajes y corrientes de multiples canales. Tradicionalmente se requerian circuitos de control y retroalimentacion individuales para cada salida, pero con un MCU es posible gestionar multiples canales simultaneamente mediante software, lo que permite simplificar el cableado y el sistema de control.

Al supervisar todas las salidas de forma integrada, tambien es posible realizar distribucion de energia y control de balance segun sea necesario, contribuyendo a la optimizacion de la eficiencia de todo el sistema.

Control de encendido/apagado del ventilador vinculado a la temperatura

En los cargadores equipados con ventilador de refrigeracion, el MCU puede controlar automaticamente la rotacion del ventilador segun los valores de los sensores de temperatura. Por ejemplo, puede encender el ventilador cuando la temperatura interna supera un umbral determinado y apagarlo cuando se haya enfriado lo suficiente, evitando que funcione continuamente.

De este modo, al hacer funcionar el ventilador solo cuando es necesario, se logra reduccion de ruido y ahorro de energia, y al mismo tiempo se disminuye la entrada de polvo.

Envio externo de senales de alarma

Cuando se detecta una anomalia en la fuente de alimentacion o en la bateria, el MCU puede enviar inmediatamente una senal de alarma a equipos o sistemas externos. Por ejemplo, si se detecta una temperatura anormalmente alta dentro del cargador, el MCU puede notificar esta informacion al sistema de supervision de las instalaciones o al microcontrolador principal para facilitar una respuesta rapida, como la desconexion de la carga o la notificacion al usuario.

Tambien es posible enviar informacion detallada mediante protocolos de comunicacion segun el tipo de anomalia, lo que permite adaptarse al monitoreo inteligente en la era IoT.

¿En qué parte del adaptador AC se integra el circuito MCU?

En los cargadores con MCU, el circuito MCU generalmente se integra en el lado de baja tensión (circuito secundario) dentro del adaptador AC.

Un adaptador AC está compuesto por un circuito primario que primero rectifica y reduce la tensión de la corriente AC comercial para obtener la salida DC requerida, y un circuito de control secundario que realiza la carga con el voltaje y la corriente adecuados para la batería. El MCU se coloca principalmente en esta última sección de control, donde supervisa el voltaje y la corriente de la batería mientras acciona el convertidor DC-DC de carga y los dispositivos de conmutación.

Específicamente, en el caso de un adaptador AC aislado, el MCU se ubica en el lado secundario aislado por el transformador, y desde allí controla el IC de conmutación del lado primario a través de un fotocoplador, o bien controla directamente la rectificación síncrona y la etapa de salida DC del lado secundario. De esta manera, se logra un control digital por retroalimentación que abarca tanto el lado primario como el secundario, permitiendo que el MCU ajuste el voltaje y la corriente de salida según lo previsto.

UNIFIVE también recomienda un método de control digital en el que el MCU se implementa en una posición adecuada de la placa del adaptador y se conecta a los circuitos de detección necesarios (sensores de voltaje y corriente) y a los circuitos de control de compuerta. Esto permite añadir las ventajas del control digital sin modificar significativamente la configuración tradicional del circuito, posibilitando un control de alta precisión y la personalización del perfil de carga.

Principales parámetros ajustables mediante el software del MCU

En los cargadores de batería con MCU, es posible configurar y ajustar detalladamente mediante software los siguientes parámetros de control de carga. Cada uno puede personalizarse al valor óptimo según el tipo y la aplicación de la batería, mejorando la seguridad y la eficiencia de la carga.

Voltaje de conmutación de precarga

Es el umbral de voltaje para cambiar de precarga a carga principal. En baterías que han sufrido una descarga profunda y presentan un voltaje bajo, es necesario iniciar primero una carga lenta con baja corriente para activar las celdas.

Con el control por MCU, es posible programar un umbral como: "cuando el voltaje de la batería supere XX V (por ejemplo, aproximadamente 3.0 V en baterías de ion de litio), finalizar la precarga y pasar a carga rápida".

Corriente de precarga

Es el valor de la corriente de precarga aplicada en la etapa inicial a una batería profundamente descargada. Normalmente se inicia la carga lentamente con una corriente baja equivalente a aproximadamente el 10% de la corriente de carga completa (alrededor de 0.1C). Por ejemplo, para una batería de 2000 mAh, la precarga podría realizarse con 200 mA, equivalente a 0.1C.

Voltaje de inicio de postcarga / Corriente de postcarga

Cuando la carga principal está cerca de completarse, puede realizarse una carga adicional de muy baja corriente (carga de goteo) para maximizar la capacidad o equilibrar las celdas. El MCU permite definir el punto de voltaje para iniciar esta transición y el valor de la corriente.

Voltaje de finalización de carga

Es la configuración del voltaje objetivo (voltaje de flotación) para determinar que la batería está completamente cargada. En baterías de ion de litio, normalmente se establece alrededor de 4.2 V por celda como voltaje de finalización de carga, pero con el MCU este voltaje puede modificarse libremente.

Por ejemplo, es posible configurarlo a un voltaje ligeramente inferior para priorizar la seguridad y prolongar la vida útil, o a un valor ligeramente superior para carga rápida.

Voltaje de recarga

Es el umbral de voltaje para iniciar la recarga automatica. Una vez que se alcanza la carga completa y finaliza la carga, el voltaje de la bateria disminuye gradualmente con el tiempo debido al consumo en espera del equipo. Cuando el voltaje de la bateria desciende hasta este umbral de recarga, la carga se reanuda automaticamente.

Tiempo de deteccion de bateria

Es un parametro de tiempo para detectar la presencia y el estado de la bateria. Cuando se conecta una bateria al cargador, la MCU primero mide el voltaje en los terminales o aplica una pequena corriente de prueba para determinar si la bateria esta correctamente conectada.

Proteccion contra sobretension de salida (OVP) / Proteccion contra sobrecorriente de salida (OCP)

Son los umbrales de proteccion para el voltaje y la corriente en la salida del cargador. Si durante la carga de la bateria ocurre alguna anomalia y se superan los valores establecidos, la MCU reduce o corta inmediatamente la salida para evitar la sobretension (sobrecarga) de la bateria o danos en el circuito.

Tiempo del temporizador de seguridad / Temporizador de precarga

Es el tiempo limite de toda la carga (temporizador de seguridad) y el tiempo limite exclusivo de la etapa de precarga. Si la carga no se completa dentro del tiempo establecido o el voltaje de la bateria no se recupera hasta el umbral, se considera una anomalia y la carga se detiene como medida de seguridad.

Como se ha descrito, en los cargadores de bateria con MCU todos los parametros relacionados con la carga pueden controlarse de forma integral mediante software. Al optimizar diversos umbrales, temporizadores y valores de corriente y voltaje, es posible lograr perfiles de carga personalizados segun el tipo y el estado de la bateria, combinando carga rapida, seguridad y prolongacion de la vida util de la bateria.

Metodos representativos de control de carga

Los cargadores equipados con MCU pueden implementar diversos metodos de carga mediante software, por lo que es posible adoptar el algoritmo de control mas adecuado segun la aplicacion.

Control de corriente constante y voltaje constante (metodo CC-CV)

Es el metodo estandar utilizado en baterias de iones de litio. Primero, en la carga CC (corriente constante), el voltaje de la bateria aumenta gradualmente y, al alcanzar el voltaje maximo establecido (voltaje de fin de carga), se cambia a carga CV (voltaje constante), continuando la carga mientras la corriente disminuye progresivamente. Cuando la corriente se reduce lo suficiente en la etapa CV, la carga finaliza.

Este metodo permite una carga completa segura y en poco tiempo. Con el control mediante MCU, se pueden configurar de manera flexible el valor de corriente CC, el voltaje CV y la corriente de terminacion, entre otros parametros.

Carga por pulsos & Carga de reacondicionamiento

La carga por pulsos consiste, como su nombre indica, en cargar mediante pulsos de corriente intermitentes y es eficaz para baterias de plomo-acido, entre otras. Al aplicar pulsos de alto voltaje, se eliminan los cristales de sulfato de plomo acumulados en el interior de la bateria (sulfatacion), lo que contribuye a recuperar la capacidad y reducir la resistencia interna.

Por otro lado, en baterias de niquel-hidruro metalico (Ni-MH) y niquel-cadmio, para mitigar la disminucion de capacidad causada por el efecto memoria, se utiliza la carga de reacondicionamiento, que consiste en descargar primero y luego volver a cargar. Con el control por MCU, estos patrones complejos tambien pueden ejecutarse mediante software.

Resumen: Confie en Unifive, con amplia experiencia, para soluciones de carga de nueva generacion con cargadores equipados con MCU

Los cargadores de baterias con MCU son una tecnologia clave que mejora drasticamente la precision de carga/la seguridad/la flexibilidad operativa.

UNIFIVE ofrece soluciones de carga optimizadas segun los requisitos del cliente mediante disenos de proteccion multiple basados en una amplia experiencia y soporte para personalizacion de firmware. Desde el desarrollo de adaptadores AC compactos y de alto rendimiento hasta la implementacion de perfiles de carga especiales, no dude en consultarnos.