Todo perfil de carga vale o que vale o estágio de potência que entrega sua corrente, mas a cadeia analógica de potência é a parte de um carregador mais frequentemente tratada como um detalhe. A topologia determina se um carregador NiMH funciona frio com 90 por cento de eficiência ou dissipa seu próprio peso em calor, se mantém uma corrente constante precisa para uma detecção -delta-V válida, e se consegue reduzir uma ampla gama de fontes de entrada até um pack multicélula. Este artigo compara reguladores lineares e chaveados, desenvolve o conversor buck como estágio padrão do carregador NiMH, explica por que o controle em modo corrente é a combinação natural para uma química controlada por corrente, e mapeia os compromissos eficiência-calor-tamanho-EMI nas classes de carregadores, de carregadores USB de uma única AA a unidades multicélula.
Um regulador linear deixa cair a diferença entre a tensão de entrada e a da bateria em um transistor de passagem, entregando uma corrente limpa, sem ondulação, com quase nenhuma interferência eletromagnética e uma quantidade mínima de componentes; para uma única célula a partir de uma fonte modesta, é barato e eficaz, e a ausência de ondulação de corrente torna a medição -delta-V especialmente limpa (Artigo 6). É a escolha clássica em carregadores NiMH de baixo custo e baixa corrente.
Sua fraqueza é uma dissipação igual à corrente vezes a diferença de tensão: carregar um pack multicélula a partir de um adaptador de alta tensão, ou carregar rapidamente a 1C, transforma o estágio linear em um aquecedor que precisa de cobre volumoso ou de um dissipador, reduz a eficiência geral e adiciona calor às próprias células que estão sendo carregadas – autoderrotista em um carregador rápido sensível ao calor.
Um conversor buck chaveia um indutor para reduzir a tensão com alta eficiência – comumente 85 a 95 por cento –, de modo que pouca potência é desperdiçada como calor, permitindo carregadores rápidos compactos e packs em uma ampla faixa de entrada; um buck síncrono substitui o diodo de roda livre por um segundo MOSFET para ganhar mais alguns pontos de eficiência, que valem a pena em correntes de carga altas. A chaveação é a topologia padrão sempre que a corrente, o número de células ou o calor do invólucro tornam a dissipação linear insustentável.
O custo é a complexidade do projeto: escolha do indutor e do capacitor, compensação de malha, acionamento da porta do MOSFET, e EMI conduzida/radiada que deve ser filtrada e disposta com cuidado; a ondulação de chaveamento também aparece como ruído de corrente e tensão que a cadeia de medição deve rejeitar, uma consequência direta que o firmware de terminação precisa acomodar.
O NiMH exige uma corrente controlada, com a tensão apenas detectada para a terminação (Artigo 15); o controle em modo corrente regula a corrente de pico ou média no indutor diretamente contra o comando da máquina de estados, resultando em um limite de corrente inerente, resposta rápida a variações de entrada e carga, e uma corrente de carga estável e bem definida nos níveis rápido, top-off e trickle. A malha interna de corrente simplifica o fornecimento da corrente exata que o perfil pressupõe – um pré-requisito para -delta-V e dT/dt interpretáveis.
O controlador (um circuito dedicado ou MCU mais acionador de porta) comanda o ponto de ajuste de corrente; o estágio de potência o impõe ciclo a ciclo. Os perfis de múltiplos estágios e de pulsos (Artigos 2, 13) tornam-se mudanças de ponto de ajuste e razão cíclica, e a manutenção por pulsos uma modulação de baixa corrente média que o buck produz com eficiência – capacidades que um estágio linear só oferece dissipando.
A escolha da topologia segue a relação de tensão entrada-bateria: um buck se encaixa quando o adaptador sempre excede a tensão máxima do pack; faixas amplas ou sobrepostas podem precisar de buck-boost; entradas USB impõem restrições de limite de corrente e enumeração que interagem com a corrente de carga. A saturação do indutor deve exceder a corrente de carga rápida com margem, a capacitância de entrada/saída deve controlar a ondulação que perturba a medição, e o projeto térmico do estágio de potência é coordenado com o gerenciamento térmico das células do Artigo 28 para que o calor do conversor não seja confundido com a temperatura da célula.
Em escala multicélula, a eficiência define diretamente a temperatura do invólucro: um carregador de 30 W a 85 por cento descarrega 5 W de calor internamente, enquanto a 93 por cento descarrega perto de 2 W – muitas vezes a diferença entre precisar de ventilação forçada ou não.
O ruído de chaveamento e a medição da bateria compartilham uma placa, então o layout posiciona a malha de potência de forma compacta, usa uma medição no estilo Kelvin na célula em vez de através de quedas de conectores, e sincroniza a amostragem de tensão longe das bordas de chaveamento (ou filtra abaixo da frequência de ondulação); esse coprojeto é o que permite a um carregador chaveado alcançar robustez de terminação comparável à de um linear. A primeira figura contrasta o fluxo de potência e a dissipação linear e buck; a segunda mapeia a escolha da topologia nas exigências de corrente e número de células.
Os modos de falha – saturação do indutor, desligamento térmico do chaveador, queda de entrada sob variação solar/USB – devem degradar o perfil de carga com segurança (manter ou reduzir a corrente) em vez de corromper a terminação.
Os circuitos dedicados de gerenciamento de carga (próximo artigo) integram o controle do chaveador com a terminação, mas o projeto externo do estágio de potência continua sendo responsabilidade do projetista e define a eficiência e o ruído alcançáveis. A Weijiang fornece as características tensão/corrente do lado da célula e a sensibilidade à ondulação de corrente que ajudam a ajustar o estágio de potência e a medição para uma terminação limpa. O próximo artigo abre o próprio circuito de gerenciamento de carga para mostrar como a arquitetura de controle e terminação é integrada em silício.
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