Autor: Kyle Johnson, Applications Engineer
Los puertos USB-C se están convirtiendo en el estándar para dispositivos de consumo al tener mayor flexibilidad que los puertos USB anteriores. En estos dispositivos está ganando popularidad tanto una mayor potencia como vida de la batería. Y esto conlleva la necesidad de cargar la batería a mayores potencias. Este artículo introduce la base de la arquitectura para carga de baterías en paralelo y los casos de uso junto con la incorporación del estándar USB-C a estos. Adicionalmente, se cubre la integración, beneficios y posibles inconvenientes de la carga en paralelo así como del USB-C en el mercado de consumo.
¿Qué es la carga en paralelo?
En los sistemas de gestión de baterías, hay diversas maneras de diseñar la configuración de las baterías para conseguir diferentes resultados. Uno podría colocar las baterías en una configuración serie, de tal forma que se consiga aumentar la tensión pero manteniendo la capacidad de la misma y es frecuentemente utilizada en sistemas de alta potencia. La otra opción es colocar las baterías en una configuración paralelo, resultando en una batería de mayor capacidad, pero misma tensión.
Ahora que la autonomía es un factor crítico para los dispositivos de consumo, los fabricantes deben ser creativos a la hora de conservar y extender al máximo la capacidad de la batería o el pack. La mejor manera para implementar una solución que permite aumentar la vida de la batería es diseñar un sistema de carga en paralelo. Esta simple solución, permite cargar multiples baterías simultáneamente aumentando así la vida útil de la batería y incrementando la fiabilidad para el usuario. La Figura 1, muestra una descripción básica de las configuraciones típica en serie y paralelo que se utilizan habitualmente.
Figura 1. Configuración de baterías en serie y paralelo.
Integración del USB-C en el mercado de la carga en paralelo
Como se ha mencionado anteriormente, los puertos y dispositivos USB-C pueden ser cargados a mayor potencia que los previos USB2.0 y USB3.0. La versión más reciente de la especificación USB-C, llamada Power Delivery 3.1, puede llegar a suministrar hasta 240W. Actualmente, para la mayoría de los dispositivos sería exagerado, pero sirve para enfatizar la mayor robustez que ofrece USB-C comparado con sus predecesores. Este incremento en potencia en los pares del USB-C encaja perfectamente con la demanda actual del mercado de consumo de altas potencia y mayor autonomía y vida útil de la batería. Del mismo modo que crece la capacidad de la batería al utilizar una configuración en paralelo, crece también los requisitos de potencia necesarios para el cargador que la suministra. Además, uno d ellos objetivos es que la disponibilidad de dicho dispositivo sea máxima y es ahí donde la mayor potencia del USB-C permite cargar el dispositivo más rápido, resultando en una mejor experiencia de usuario sin necesidad de estar conectado a un cable continuamente.
Beneficios e inconvenientes
La carga paralela con USB-C ya se ha implementado de diferentes maneras y continuará extendiéndose por las aplicaciones de consumo. A pesar de que los puertos y cables USB-C serían muy beneficiosos para el mercado de consumo en cuanto a potencia, coste y simplicidad, también tiene algunos inconveniente que merece la pena señalar.
| Cable único | Potencia y datos en el mismo cable, apto para aplicaciones con restricción de espacio |
| Alta potencia | El aumento de la capacidad y los niveles de potencia permiten para un mayor rango de aplicaciones incluir tanto dispositivos de bajo consumo como herramientas y ordenadores de mayor potencia. |
| Ahorro de tiempo | La capacidad del USB-C para cargar a mayores corrientes permite cargar baterías en paralelo, y por tanto, reduce drásticamente el tiempo necesario para la carga |
| Integración simple | El conector USB-C es reversible y se puede conectar en ambos sentidos, y la conexión de baterías en paralelo simplemente necesita conectar la fuente a los terminales de las baterías. |
| Reducción de basura electrónica | El uso de un cargador común USB-C reduce considerablemente la basura electrónica en el mundo |
Tabla 1. Beneficios del USB-C y la carga de baterías en paralelo
| Diferencias en puertos | Pueden ocurrir complicaciones entre niveles de potencia si los puertos no coinciden. Los puertos incluyen Thunderbolt, PD 3.1 y PD 3.0 |
| Mayor coste | Las baterías adicionales, así como los puertos y cables que permiten mayores niveles de potencia requieren de tecnología más avanzada, y por tanto, mayor coste frente a versiones previas |
| Reemplazo | Los nuevos cables USB-C provocarán la retirada y reemplazo de los cables USB-A, USB-B y micro-USB que serán obsoletados |
| Mayor tamaño | Añadir baterías adicionales, requerirá más espacio y puede llegar a ser un problema en aplicaciones donde el tamaño sea una especificación crítica |
| Aumento complejidad | Incluir baterías adicionales necesita de una gestión más compleja, como la necesidad de balancear las cargas y asegurar que los ciclos de carga comienzan a niveles de tension similares para no dañar ni las baterías ni los cables. |
Tabla 2. Inconvenientes del USB-C y de la carga de baterías en paralelo
Un ejemplo con el MAX17330
La Figura 2 muestra un ejemplo de las herramientas principales que se necesitan para crear un entorno de carga de baterías en paralelo, el MAX17330. Esta referencia es un cargador de baterías, fuel gauge, y protector, todo en uno. The MAX17330 recibe la potencia de un cargador o convertidor compatible con USB-C, lo que permite que el MAX17330 cargue baterías a alta velocidad y que el usuario disponga del dispositivo durante más tiempo. Además, permite que las baterías se puedan colocar en su sitio, por ejemplo, en el lado opuesto del headset de AR/VR o a ambos lados de un móvil plegable. Algunos de los beneficios de usar esta referencia son por ejemplo optimizar reduciendo la caída y el calor, previniendo cargas cruzadas entre baterías y permitiendo la carga de packs en paralelo independientemente.
Aplicaciones del mundo real para el MAX17330
Este artículo ha mostrado los beneficios e inconvenientes además de una introducción de la combinación de carga d ebaterías en paralelo y USB-C. Ahora que nos es más familiar el tema, es el momento idóneo para indicar aplicaciones reales para esta referencia. La carga de batería en paralelo y el USB-C ha entrado ya en varias áreas del mercado de consumo. Estas incluyen, pero no están limitadas a, headsets AR/VR, taladros inalámbricos y otras herramientas, ordenadores portátiles, y tablets.
Los retos comentados en previamente en la Tabla 2, causan ciertas dificultades a la hora de enfrentarse a un diseño de estas características. Donde Analog devices entra en juego es en reemplazar los bloques de la Figura 2 con el MAX17330 junto con el MAX77958 en el lugar del controlador USB-C y el MAX77986 en el lugar de la fuente de tipo downstream. El MAX77958 permite a los diseñadores simplificar el diseño con una solución integrada y un firmware adaptable que regula los niveles de potencia de USB-C mientras que el MAX77986 puede actuar como una fuente de downstream para el USB-C y alimentar otras partes del producto. Este tipo de montaje es ideal para aplicaciones con requisitos de potencia de 15W o más. Para aplicaciones menores a 15W, la solución ideal es el MAX77789 que combina cargador 1S de 3A y detector USB-C. Para probar la solución, está disponible el kit de evaluación tanto para el MAX17330 como el MAX77789.
Figura 2. Diagrama de bloques del entorno d ecarga d ebaterías en paralelo con el MAX17330.
Conclusión
En el mundo actual, no se persigue otra cosa sino maximizar la eficiencia y perder el mínimo tiempo posible con los productos. Todos estos productos ofrecidos por Analog Devices pueden combinarse para permitir a los clientes incorporar soluciones de carga rápida USB-C con packs de baterías en paralelo. Esto resulta en una mejor eficiencia en cuanto a que el producto tiene una autonomía mayor y un tiempo de carga inferior. Con el mercado de consumo siempre evolucionando, los diseñadores deben adaptarse rápidamente y encontrar soluciones para satisfacer los requisitos de los clientes. Tanto el USB-C como la carga de baterías en paralelo es la próxima solución al siempre cambiante problema de cómo alimentar los dispositivos de la siguiente generación.
