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CHACO

Compreendendo o circuito de bateria

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Olá.

 

Tentarei aqui neste tópico, elucidar de forma simples (porém técnica) como é formado o circuito que gerencia o carregamento de bateria, o charger. O circuito que tomarei como base é dispensável o controle de comutação externa, isto é, o próprio CI que carrega e gerencia o sistema de bateria possui um comutador interno, visto que as placas atuais estão vindo com este projeto. Entretanto, a compreensão deste material, fará com que outros circuitos menos avançados serão de fácil entendimento.

 

PARTE I - Princípio de funcionamento

 

O circuito que gerencia o carregamento tem o princípio básico de carregar a bateria obviamente, a partir do momento em que se detecta a necessidade de caraga. Quando temos uma carga e há apenas uma fonte consumidora, temos que há o descarregamento da bateria, ao contrário, temos o início de carregamento até um nível estipulado quando se tem uma fonte de carga.

Em outras palavras, quando se temos a fonte de alimentação conectada, temos a corrente de carga para a bateria e não há consumo por da mesma. Quando se tem apenas a bateria como fonte de alimentação, temos corrente de consumo.

 

O funcionamento então é controlado pelo CI comutador que alterna as tensões de bateria e fonte de alimentação. Através deste CI, ocorre o controle de direcionamento da tensão para o restante do circuito. Quando há as duas tensões, temos que uma ficará em modo estacionário e evidentemente que é a tensão da bateria. Enquanto houver tensão da fonte principal, está estará responsável por além de alimentar toda a placa, realizar o carregamento da bateria enquanto houver necessidade.

 

 

PARTE II - Tensão da fonte e da bateria

 

A grande maioria dos esquemas apresentam como tensão principal (fonte de alimentação) como DC_IN, AC_IN ou +B. Enquanto que para a tensão de bateria é chamado de VCHG ou BAT_VIN. Importante saber é que no caso DC_IN/AC_IN é diferente de VIN, pois VIN é uma tensão filtrada e retificada que irá alimentar toda a placa. O mesmo acontece para VCHG ou BAT_VIN, em que a tensão antes do filtro geralmente se chama BAT+. É necessário ter em mente para que não haja confusão na hora da análise. Diante disto, iremos apenas focar nas tensões já filtradas, salvo exceções.

 

Em resumo:

 

DC_IN, AC_IN ou +B = tensão da fonte de alimentação

VIN = tensão filtrada

BAT+ = tensão da bateria

VCHG ou BAT_VIN = tensão da bateria filtrada

 

PARTE III - Tensões do CI charger

 

O circuito para manipular as tensões de fonte e de bateria, necessita que haja tal reconhecimento das mesmas para gerenciar com eficiência o controle de carga. Então temos as seguintes tensões que qualquer circuito possui:

 

DC_IN e VIN

VCHG ou BAT_VIN

BAT+ ou DC_IN_BAT

V_BAT_OUT ou VCHG_OUT

 

As tensões mencionadas acima, são necessárias para que haja, além da alimentação de toda a placa ainda seja possível o carregamento da bateria. Desta forma é possível que cada uma seja independente da outra, ou seja, quando houver apenas fonte, a placa funcionará igualmente quando houver apenas bateria. Alguns problemas causados por não liga da placa, podem intimamente estar ligados a este circuito, do qual deriva as tensões pro restante da placa.

 

Exemplo: por algum motivo temos que a placa não starta quando há a fonte e a bateria contactadas. Analisando qualquer circuito, veremos que em "comum" temos os sinais da fonte e bateria passando pelo mesmo CI. É claro que é preciso também analisar os MOSFETS que realizam chaveamento e outros componentes, mas temos uma noção de que o problema está próximo deste circuito.

 

 

PARTE IV - Sinais de controle

 

Além das tensões, este circuito é capaz de detectar sinais lógicos para controlar a carga e manter a segurança, já que as baterias são elementos químicos propícios a explosão. Desta forma, através de CLOCKS, é possível verificar muitos parâmetros e evitar qualquer desastre.

 

Antes de mais nada, temos três sinais importantes que são emitidos pelo circuito da bateria:

 

- TEMP;

- DATA;

- CLOCK.

 

TEMP - Sinal que detecta variação de temperatura. O que se muito acha e é em suam verdade é para evitar um risco de explosão. Mas bons circuitos, além de protegerem contra este risco, também preocupam-se com a autonomia e durabilidade. O material de Íon-Lítio funciona sem qualquer problema entre 0º e 40º, abaixo disto, a autonomia é desacelerada, acima provoca perda de vida útil. Portanto aí vai uma dica, principalmente nos notebooks atuais, que tendem a aquecer muito. Devido ao processamento evoluído, a tendência é de aquecer-se muito e se o projeto for mal dimensionado, o escape de ar provindo do cooler, acaba por aumentar a temperatura da bateria, podendo até mesmo desligar como forma de segurança, após muito tempo de uso.

 

DATA - sinal informativo, através de código binários, é possível estabelecer número de células, tensão máxima de carregamento, informativo ao S.O, corrente máxima de carga.

 

CLOCK - frequência de trabalho da bateria.

 

Além dos sinais que são emitidos pela bateria, temos agora os sinais que são recebidos e enviados pelo CI de charger ao I/O e ICH/PCH.

 

ADAP_INPUT - Significa a presença da fonte de alimentação. Pode ser chamado ainda de ADAP_IN. Este sinal é enviado do CI charger para o I/O, este irá coletar os dados da bateria e verificar se há necessidade de carga ou não.

ADAPTOR - Geralmente chamado assim ou ADAP, com função semelhante ao anterior, a diferença é que ao informar o I/O a presença da fonte, há ainda a informação ao sistema operacional. É este sinal que tem a função de informar o ICH/PCH através do I/O o ícone da presença do carregador (no tray bar do Windows, por exemplo). Alguns equipamentos, quando falham este sinal, ao desconectar a fonte a placa desliga subitamente. É importante orientar-se através do esquema, o sentido do sinais, ou seja, a direção em que se tem o sinal, entrando ou saindo do componente. Neste caso, como veremos adiante, é emitido pelo CI de charger ao I/O, que por sua vez informa do ICH/PCH.

CELLS - O sinal DATA pega e envia esta informação ao I/O dizendo qual o número de células existentes na bateria. Se pegarmos um datasheet do CI de charger, veremos que o mesmo pode ter a função de carregar de 3 há 6 células, uma de cade vez. É claro que há uma combinação de componentes para que haja a correta seleção das células e isto é de projeto para projeto. Portanto, estar atento ao esquema que sempre informa a quantidade de células a carregar. Apenas para efeito de conhecimento, se por exemplo, temos um projeto de 6 células a serem carregadas. O circuito da bateria informa ao I/O, que por sua vez informa ao CI de charger e este começará o carregamento individual das células até atingir o limite setado para cada uma. Outro ponto a destacar é que podemos ter uma bateria de 3 células e outra de 6 com a mesma tensão. O que irá diferenciar é o tempo de autonomia.

 

3 células - 12,6V sendo que cada célula dispõe de 4,2V (menor capacidade por célula)

6 células - 12,6V sendo que cada célula dispõe de 2,1V (maior capacidade por célula)

 

Tudo isto ainda dependerá do fator de consumo do equipamento, se por exemplo temos a utilização ao máximo, tudo vai depender da capacidade da bateria fornecer a carga dentro de seus limites. Sabendo que baterias são dimensionadas o quanto de corrente é fornecido por hora, teremos o consumo de ampéres/hora, do qual a corrente é determinada pela carga e o máximo suportado pela bateria.

 

BAT_INPUT - O CI de charger pega a tensão da bateria e informa ao I/O a presença da mesma. Podendo anida ser ao contrário, dependerá do projeto em específico. Em questão de análise, podemos perceber que se houver problemas de detecção, não haverá carga ou o sistema operacional não irá detectar a presença da bateria e ao remover a mesma, poderá ocorrer o desligamento súbito do notebook.

 

CHARGER - Temos este sinal como mais importante. Este é o seletor de carga e vamos entender bem esta parte, pois é comum haver equívocos com este sinal.

Perceba que quem emite este sinal é o I/O. Através do sinal DATA, é pego a informação das células e o circuito interno da bateria irá informar se há necessidade de carga ou não, mesmo que ela seja de 1%. Enquanto houver necessidade de carga, este sinal estará em alta e o I/O irá permitir o "enable" do CI de charger para que inicie o carregamento. Dentro do CI de carga, existe um amplificador de erro, que monitora a todo instante o consumo de corrente por parte da placa, quando há necessidade de um carregamento rápido, existe um outro sinal chamado FAST_CHARGER que irá carregar a bateria com corrente máxima até que seja estabilizado um valor seguro. Daqui, tiramos duas informações. Se temos uma carga lenta, temos defeito no CI de charger e se, não temos carga, temos duas possibilidades mais comuns, ou o I/O não detecta a necessidade da bateria ou a bateria por meio do circuito interno, não percebe que as células estão precisando de carga.

 

LEDS - Quando temos um notebook que não tem a indicação por meio de LEDS, ocasionado por falhas, há apenas um culpado: o I/O. Se pegarmos um diagrame em blocos de I/Os, temos que em função da carga (VCHG + CHARGER) e sendo BAT+ < que a tesão nominal, via SMBUS (geralmente utilizando GPIO do I/O), haverá a indicação de carregamento através de um LED geralmente vermelho até que se atinja o valor máximo de BAT+. Em resumo, se há deficiência na indicação de LEDs por parte do equipamento, o I/O é responsável direto.

 

PARTE V - Processo de carga da bateria

 

Entendendo as partes anteriores, podemos agora facilmente entender o processo de carregamento, que é o foco deste tutorial. Veja que cada passo é independente, mas trabalham de alguma forma em conjunto para satisfazer em sua totalidade.

 

A partir de que se conecte a fonte de alimentação, temos a verificação do circuito da bateria a necessidade de carga das células, como dito, sendo 1% restante, o circuito ainda manterá informado que há necessidade de carga. Sendo assim, estes dados são enviados ao I/O, que por sua vez, informa ao CI de charger para que inicie a carga. Note sempre que haverá pelo menos um resistor de baixa resistência, mas de potência alta (P = V x I), assim chegando ao valor de corrente estipulado. É importante saber que a carga ocorre pelo mesmo caminho em que a tensão de bateria alimenta o circuito. Vejamos a seguir.

 

Suponhamos que temos uma bateria de 3 células e que possua uma tensão máxima de 12,6V. É óbvio que a tensão de carregamento máxima não pode ultrapassar este valor. Ora, se a fonte de alimentação é que carrega a bateria e esta possui em geral 19V, como é feita a carga?

 

Simples, o que carrega qualquer bateria não é a tensão e sim a corrente aplicada em seus terminais. Quando temos a presença da fonte, automaticamente é cortado a tensão da bateria para o circuito e através de resistores de potência, é fornecido uma corrente para carregar cada célula da bateria, uma a uma, ou seja, é divido em blocos, quando a primeira célula é carregada, o circuito interno da bateria passa a controlar e gerenciar o carregamento da segunda e assim por diante. Podemos medir o consumo de corrente em cima dos resistores de potência, geralmente serigrafados como RCH.

Em resumo, se não estiver acontecendo carga, é de responsabilidade do CI de charger ou os resistores estão em aberto.

 

PARTE VI - CI comutador

 

Como descrito no início, temos que atualmente a maioria das placas estão vindo com CI faz tudo, controla carga e chaveia entre fonte e bateria (comumente conhecido como comutador).

 

Este circuito é um simples MOSFET de canal P que detecta uma variação de tensão positiva ou negativa ou a diferença entre duas DDPs. No caso de notebooks em sua maioria, a tensão da fonte é subtraída da tensão da bateria e este valor é quem "desliga" uma chave interna e deixa passar somente uma tensão para o circuito. Note aí, o momento de carga da bateria. Entretanto, quando a tensão é menor do que a diferença do qual o MOSFET é dimensionado, aquela chave que foi desligada é ligada e curto-circuitada com a outra, que por hora, passava apenas uma tensão ( a da fonte). Neste caso, temos apenas ali a tensão da bateria.

 

Exemplificando: O CI comutador recebe uma tensão em seus terminais vindos da fonte e outro da bateria. Temos uma diferença de  DDPs, como esta diferença é tal que desliga uma das chaves e deixa apenas uma ligada, temos aí tensão da fonte circulando pela placa, enquanto a mesma carrega a bateria através de um circuito de potência.

Ao contrário, temos apenas tensão de bateria nos terminais do comutador, temos então que não há diferença de DDPs, nisto temos uma única tensão e neste caso o CI comutador vira uma "curto" e temos tensão distribuída pela placa.

O mesmo acontece para quando houver apenas a fonte de alimentação, o CI comutador virará um curto, a diferença é que a tensão será maior, obviamente.

 

Por fim, temos o fator segurança, afinal temos suas fontes num mesmo circuito e isto representa duas DDPs positivas que não são super posicionadas (teoria da superposição), e quando temos o choque destas, certamente será um belo de um curto. É por isso que na região do CI comutador é costumeiro encontrarmos placas carbonizadas, por sorte de não haver direcionamento da tensão da fonte diretamente aos pinos da bateria, que em geral tem-se um diodo zener de proteção com valor maior do que a da fonte para evitar o que poderia causar uma explosão, mesmo sabendo que o circuito interno da bateria tem uma espécie de fusível contra altas correntes, impedindo que cheguem as células.

 

Abaixo, deixarei um vídeo explicativo a respeito do que foi escrito aqui para uma compreensão mais aprofundada do assunto.

 

 

Tutorial elaborado por Anderson C.

 

Até o próximo tutorial.

 

[]'s

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Mesmo que esse tópico já tenha sido postado a algum tempo, fico feliz que ele esteja aqui a disposição, li e assisti a explicação sobre o funcionamento do circuito de baterias, muito bom, a cada coisa nova que encontro aqui me satisfaço com o novo conhecimento de certos circuitos que me abre novos horizontes de raciocínio para trabalhar com esses circuitos e tecnologias novas, até porque agora estou conseguindo encontrar fontes para meu desenvolvimento e isso na pratica já tem me ajudado muito.

Agradeço!

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Caro Anderson Chaco, desejo que tenhas ótima saúde  nos próximos dias, meses e anos, tu e tua família, e muita disposição de tua parte para elaborar mais textos sobre a Eletrônica Básica de Circuitos embarcados nos notebooks e  em computadores em geral! Creio que tiras do teu precioso tempo de descanso muitos minutos, senão horas, para escrever estas verdadeiras aulas que reforçam o Saber dos que já possuem estes conhecimentos e servem de fontes do Saber para todos os novatos, iniciantes ainda neste vasto oceano de conhecimentos teóricos e também práticos da Eletrônica ramo da Física que me deleito e me diverte.  Estás de parabéns! Muitas joinhas para você! mais uma para sua coleção

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