Hacer que todos los dispositivos 3v3 sean recargables

Electrónica

Este es un circuito diseñado para cargar una batería lipo de 3.7V y, si es necesario, actuar como una fuente de alimentación, en ambos casos la salida de voltaje es de 3.3V.

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El Circuito y Cómo Funciona

Para este diseño, quería abordar los siguientes requisitos:

1. Cargar una batería Li-Ion/Li-Po de 3.7V a un máximo de 4.2V por medio de USB.
2. Poder utilizar un dispositivo con el circuito mientras está recargando la batería.
3. El circuito debe tener una salida de 3.3V.

El siguiente esquema es el circuito final:

El corazón del diseño es el MCP73838, este circuito integrado es un controlador de gestión de carga de batería, el cual requiere algunos elementos adicionales para funcionar, el circuito de aplicación típico (disponible en la hoja de datos) es:

Dado que mi intención es cargar a través de USB, simplemente ignoré toda la configuración de corriente alterna, o sea, el diodo doble con cátodo común y la conexión Vc; los pines 3 y 4 indican el estado actual del proceso de carga y las fallas:

Modo	STAT 1 (Pin 3)	STAT 2 (Pin 2)
Espera	Alta Resistencia	Alta Resistencia
Preacondicionamiento	LOW	Alta Resistencia
Carga Rápida	LOW	Alta Resistencia
Carga Completa	Alta Resistencia	LOW
Fallo de Temperatura	Alta Resistencia	Alta Resistencia

Como puedes ver, la información proporcionada por los LEDs puede ser malinterpretada, como en el caso de "espera" y "fallo de temperatura", pero es fácil ver en qué estado realmente se encuentra porque "espera" ocurre cuando la batería no está conectada. En mi diseño, el pin STAT2 está conectado a un LED verde y el pin STAT1 está conectado a un LED azul (¿por qué no rojo? No lo recuerdo, todavía me lo pregunto xD).

El pin TE se establece en low para activar el temporizador de seguridad integrado de cuatro, seis u ocho horas (dependiendo del modelo) que pone al circuito integrado de carga en espera. El pin ROG2 también se establece en bajo porque las funcionalidades de corriente alterna no se utilizan. PROG1 está conectado a una resistencia para establecer la corriente que se suministra a la batería. En este caso, se seleccionó un valor de 2K ohmios para proporcionar 500 mA (recomendado 0.5C de la batería). La ecuación utilizada es la ecuación 4.1 disponible en la hoja de datos:

I_REG = 1000V/R_PROG

La otra parte del circuito está destinada a ser un sistema de carga compartida (más información detallada está disponible en la nota de aplicación, algunas imágenes presentadas son de ella). El VBUS (suministro de voltaje desde el USB) debe suministrar la carga cuando esté presente. Si no, la batería energiza la carga:

Es importante seguir el esquema en la imagen anterior porque si conectas la carga directamente a la batería, surge un problema muy importante. El cargador de batería puede confundirse y seguir recargando la batería incluso si ya está completamente cargada. Esto es muy peligroso. El fenómeno ocurre porque el MCP73838 termina automáticamente el proceso de carga en un valor de corriente específico, no de tensión.

Por lo tanto, se diseña un circuito basado en PMOS para evitar cualquier problema de corriente:

La compuerta PMOS se establece en 0V a través de una resistencia de pull-down (R5). Esto asegura que el MOS se encienda cuando VBUS esté ausente. En esta situación, la batería energiza la carga. Debido a que el transistor no es ideal, tiene una caída de voltaje máxima de 1.1V (típicamente 750mV). Este es uno de mis principales problemas porque en el peor de los casos, el suministro de voltaje máximo para el regulador de 3.3V es de 3.6V (3.95V máximo), pero en la práctica nunca lo he notado. En el ejemplo mencionado, el dispositivo funciona muy bien durante una semana o más hasta que se descarga (con el ejemplo de la siguiente sección). Continuando con el circuito, si el VBUS está a 5V (máximo 6V debido a las especificaciones del sistema de gestión de baterías del circuito integrado), el PMOS se apaga y la carga es energizada por USB. El diodo tiene un voltaje directo máximo de 520mV, por lo que el voltaje en el pin IN del regulador de 3.3V es de 4.48V. Realmente no importa porque es un voltaje constante. Otro factor por el cual este diodo es útil es evitar un flujo de corriente desde la fuente hasta la compuerta o desde VBATT hasta VBUS. Sin embargo, todavía hay una fuga de 50uA (en el peor de los casos), lo que genera un voltaje a través de R5 de 500mV. Es un valor seguro porque no apaga el MOS. Finalmente, el regulador de 3.3V tiene una caída de voltaje máxima de 400mV, por lo que la entrada debe estar por encima de 3.7V (típicamente, es de 250mV, lo que implica un Vin de 3.55V). La corriente máxima permitida es de 600mA, así que tenlo en cuenta si deseas utilizarlo.

Ejemplo de Uso: Conversión de un Ratón Inalámbrico de 2.4MHz Económico a Recargable

Como ejemplo, se utiliza un ratón inalámbrico económico. La idea es reemplazar las pilas AAA con una recargable. No encontré la hoja de datos del circuito integrado del ratón, pero dado que usa 3V, asumí que un Vin de 3.3V estaría bien. Entonces, simplemente desmonté el porta pilas y coloqué el circuito con la nueva batería en ese espacio.

El ratón consume 25 mA a 3.0V, y la batería puede proporcionar 250 mAh. Idealmente, con esta configuración, el ratón puede ser usado durante aproximadamente 10 horas con una sola carga. Para mejorar el diseño, el estuche del ratón puede ser modificado para facilitar el acceso al puerto de carga USB. Para esto, se recomendaría una carcasa impresa en 3D a medida, esto permitiría una integración perfecta del puerto de carga mientras se mantiene la ergonomía y estética del ratón.

Si bien la conversión inicial demuestra la viabilidad de convertir un dispositivo de batería desechable en uno recargable, mejoras adicionales a través de modificaciones en la caracas pueden mejorar significativamente la experiencia de usuario y la funcionalidad general del ratón inalámbrico recargable. Sin embargo, para los propósitos de este ejemplo, la demostración concluye con la exitosa integración de la batería recargable y el circuito de carga en la caracasa del ratón actual.