Nouvelles solutions de charge des batteries lithium-ion

Au fil des ans, la demande en termes d'alimentations portables à la fois efficaces, sûres, légères, économiques et à charge rapide, a conduit au développement de nombreuses nouvelles technologies de batteries, notamment les batteries alcalines rechargeables, au nickel-hydrure métallique (NiMH), au lithium-ion (Li-ion) et au lithium-polymère (Li-poly), pour ne citer que quelques exemples. D'une manière générale, ces nouveaux types de batteries requièrent des circuits de protection et de charge plus sophistiqués afin d'optimiser les performances et d'assurer la sécurité. Heureusement, des dispositifs à semi-conducteurs tout aussi évolués ont également été mis au point pour charger et protéger ces batteries.

Cet article s'intéresse aux qualités et aux limites de ces nouvelles technologies de batteries. Il étudie et décrit également les nouvelles solutions de charge des batteries lithium-ion proposées par des fournisseurs de semi-conducteurs tels que Maxim Integrated, Linear Technology et Texas Instruments.

Technologies de batteries

Dans l'univers des équipements électroniques portables, plusieurs nouveaux types de batteries rechargeables ont vu le jour ces dernières années afin de rivaliser avec la technologie au nickel-cadmium (NiCd) qui a longtemps été plébiscitée, et qui continue à être intéressante dans les applications telles que les outils électriques, pour lesquelles un courant élevé est nécessaire sur de courtes périodes et où les qualités de faible impédance du NiCd sont appréciées.

Cependant, les concepteurs d'applications portables modernes (smartphones, tablettes ou appareils photo numériques) sont à la recherche de batteries affichant une plus grande capacité et un taux de décharge plus faible par rapport à ceux du NiCd. Par ailleurs, ces applications nécessitent des batteries légères et capables de se charger rapidement. Parmi les technologies de batteries répondant à ces exigences, on trouve le nickel-hydrure métallique (NiMH), le lithium-ion (Li-ion) et le lithium-polymère (Li-poly). Si les batteries NiMH offrent une capacité supérieure et une charge plus rapide, leur taux d'auto-décharge est toutefois élevé (le double de celui du NiCd), ce qui constitue un inconvénient majeur (Tableau 1).

Tableau 1 : Principaux paramètres des batteries pour différents types chimiques (avec l'autorisation de Maxim Integrated).

Comme décrit dans la note d'application AN676¹ de Maxim Integrated, les batteries lithium-ion et lithium-polymère sont devenues incontournables dans les appareils portables, car elles offrent une capacité beaucoup plus élevée que les batteries NiCd et NiMH, tout en présentant un taux de décharge nettement inférieur. De plus, la note d'application montre que les batteries lithium-ion sont également beaucoup plus légères. En conséquence, les batteries lithium-ion peuvent fournir près du double de la capacité des batteries NiMH par unité de masse.

Toutefois, les batteries lithium-ion présentent également leurs propres limites. Maxim souligne qu'elles sont particulièrement sensibles à une surcharge ou à une sous-charge. Tandis qu'une tension excessive peut entraîner des dommages irréversibles à la batterie, les décharges répétées pour maintenir une tension suffisamment basse peuvent être à l'origine d'une perte de capacité. Par conséquent, pour protéger la batterie, la solution de charge doit limiter la tension et le courant de la batterie, aussi bien lors des phases de charge que de décharge.

Les blocs-batteries lithium-ion présentent donc normalement une sorte de circuit de protection contre les sous-tensions et les surtensions, ainsi qu'un fusible pour éviter toute exposition à un courant excessif. De plus, les ingénieurs de Maxim suggèrent que ces blocs-batteries incluent également un commutateur qui ouvre les circuits de la batterie lorsqu'une pression élevée entraîne une décharge.

En outre, contrairement aux batteries NiCd et NiMH, qui nécessitent une source de courant pour la charge, les batteries lithium-ion doivent être chargées avec une source combinée de courant/tension. Pour obtenir une charge maximale sans causer de dommages, la plupart des chargeurs lithium-ion respectent une tolérance de 1 % sur la tension de sortie. Une tolérance plus stricte n'est généralement pas recommandée car elle est difficile à mettre en œuvre et augmente les coûts. En général, le faible gain de capacité ne justifie pas les inconvénients occasionnés.

Chargeurs lithium-ion à cellule unique

Pour les téléphones portables et d'autres appareils similaires, la méthode de charge privilégiée de la batterie implique l'utilisation d'une unité distincte appelée « socle de charge », dans laquelle vous placez le dispositif ou le bloc-batteries. Selon Maxim, un chargeur linéaire lithium-ion ou lithium-polymère à cellule unique peut être utilisé dans un socle. Étant donné que le bloc-batteries ou l'unité de chargeur est distinct et n'est donc pas intégré à l'appareil, la chaleur générée a moins d'importance. Dans ce cas, le régulateur linéaire fait chuter la tension de différence (entre la source d'alimentation CC et la batterie) à travers un transistor ballast fonctionnant dans sa région linéaire. Le chargeur étant confiné dans un espace restreint, il est recommandé de prévoir une circulation d'air adéquate pour empêcher toute surchauffe due à la dissipation de puissance.

Le chargeur linéaire lithium-ion à cellule unique de Maxim est le MAX846A. Sa référence de précision de 0,5 % permet une charge en toute sécurité des cellules lithium-ion qui nécessitent une haute précision de la tension. Les boucles de régulation du courant et de la tension utilisées pour contrôler un transistor PNP (ou transistor MOSFET à canal P) externe à faible coût sont indépendantes les unes des autres. Comme illustré à la Figure 1, le transistor de puissance externe FZT749 de Fairchild Semiconductor fait chuter la tension source au niveau de la tension de la batterie et explique la majeure partie de la dissipation de puissance du circuit. Concrètement, cela se traduit par une référence interne plus stable, ce qui génère une limite de tension de batterie également plus stable.

Figure 1 : Le chargeur linéaire lithium-ion à cellule unique MAX846A commande un transistor de puissance externe (Q1) qui fait chuter la tension source au niveau de la tension de la batterie.

Dans ce circuit, R1 et R3 déterminent le courant de sortie. R1 détecte le courant de charge, tandis que R3 définit le niveau auquel le courant est régulé. Le courant à la sortie de la borne ISET est égal à 1/1000 de la tension entre CS+ et CS-. Le régulateur de courant contrôle la tension ISET à 2 V. Par conséquent, la limite de courant [2000/(R3 *R1)] est de 1 A. Comme décrit dans la note d'application de Maxim, les boucles de contrôle des limites de courant et de tension présentent des points de compensation distincts (CCV et CCI), ce qui simplifie la tâche de stabilisation de ces limites. Les bornes ISET et VSET permettent d'ajuster les limites de courant et de tension.

Texas Instruments propose également des chargeurs linéaires pour les applications portables à espace restreint. La gamme bq24040 hautement intégrée de circuits de chargeur de TI convient aux batteries lithium-ion et lithium-polymère à cellule unique. Gérant une plage de tensions d'entrée élevée, les chargeurs fonctionnent soit depuis un port USB, soit depuis un adaptateur CA à faible coût. Selon TI, les dispositifs bq2404x chargent la batterie en trois phases : conditionnement, courant constant et tension constante. Dans toutes les phases de charge, une boucle de contrôle interne surveille la température de jonction du circuit intégré et réduit le courant de charge si un seuil de température interne est dépassé.

De la même manière, le chargeur de batteries lithium-ion autonome LTM8061 de Linear Technology a été optimisé pour des blocs-batteries lithium-ion et lithium-polymère à une ou deux cellules, avec des options de tension régulée fixes de 4,1 V, 4,2 V, 8,2 V et 8,4 V. Il fournit des caractéristiques de charge à tension constante/courant constant, avec un courant de charge maximal de 2 A. La fiche technique du chargeur de batteries µModule (micromodule) indique qu'il s'agit d'une solution de charge SiP (système en boîtier) complète avec contrôleur CC/CC, transistors de puissance, condensateurs d'entrée et de sortie, composants de compensation et inductance intégrés dans un boîtier LGA compact à montage en surface. C'est pourquoi le chargeur lithium-ion à cellule unique LTM8061 utilise un nombre minimal de composants externes (Figure 2).

Figure 2 : Le chargeur de batteries µModule LTM8061 constitue une solution de charge SiP (système en boîtier) complète pour une cellule lithium-ion unique.

Parmi les autres participants à cette course pour fournir des circuits de chargeurs intégrés en vue d'une charge efficace des blocs-batteries lithium-ion et lithium-polymère à cellule unique, citons Fairchild Semiconductor, Intersil et STMicroelectronics.

Charge de deux cellules ou plus

Un circuit similaire pour charger deux cellules lithium-ion en série est illustré à la Figure 3. Il utilise le MAX745 de Maxim, c'est-à-dire un chargeur de batteries lithium-ion à découpage offrant un rendement de 90 %. L'intégration sur puce de toutes les fonctions nécessaires à la charge des bloc-batteries lithium-ion permet au MAX745 de fournir un courant de charge régulé pouvant atteindre 4 A sans chauffer, ainsi qu'une tension régulée avec un pourcentage total d'erreur de seulement ±0,75 aux bornes de la batterie. Il utilise des résistances 1 % à faible coût pour définir la tension de sortie, ainsi qu'un transistor MOSFET à canal N à faible coût comme commutateur. Le point de consigne de la tension et le courant de charge sont régulés à l'aide de deux boucles qui fonctionnent de pair pour permettre une transition sans heurts entre la régulation du courant et de la tension. La limite de régulation de tension de chaque cellule batterie est définie entre 4 V et 4,4 V à l'aide de résistances standard 1 %.

Figure 3 : Le MAX745 est un chargeur à découpage qui offre toutes les fonctions nécessaires à la charge de plusieurs cellules lithium-ion en série.

Des circuits intégrés pour charger deux cellules lithium-ion en série sont également disponibles auprès de fournisseurs tels que Texas Instruments et Linear Technology.

De nombreuses options étant disponibles pour la charge de batteries lithium-ion à cellules uniques ou multiples, le concepteur doit commencer par passer en revue les conditions requises, telles que la tension d'entrée, le courant de charge, la méthodologie de charge, les capacités de protection, la compatibilité USB, le coût, ainsi que d'autres caractéristiques clés, avant d'opter pour un circuit intégré de chargeur de batteries pour une application donnée.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages produits du site Web de DigiKey.

Référence

1. Note d'application 676, « New Developments in Battery Chargers », novembre 2011, Maxim Integrated