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Los ingenieros se preguntaban: "¿Cuántas computadoras portátiles son necesarias?" Ahora se preguntan: ”¿cuántas tabletas necesitamos?” La última que adquirí es una agradable tableta RCA convertible Android Marshmallow de 12 pulgadas con teclado extraíble. En las reuniones, parece una computadora portátil delgada normal, en la que notas importantes para mí mismo como "reestructurar el marketing para que esté más basado en soluciones" o "comer más pollo". A veces tengo que mostrar una presentación al resto del equipo, así que separo la pantalla del teclado y explico los gráficos. Por supuesto, nadie escucha lo que digo (al igual que mis padres) y en su lugar me preguntan: "¿Qué es eso?". Lamentablemente, no se refieren a mis excelentes habilidades persuasivas en PowerPoint, sino que quieren saber sobre mi tableta.

Entonces, hablamos sobre la tableta y les muestro parte de "Las aventuras de Buckaroo Banzai a través de la^octava dimensión" antes de almorzar. Más tarde, cuando la pantalla de la tableta está oscura, toco por poco tiempo el botón de encendido para despertarla, contengo la respiración y espero que no se haya congelado. Se llama el SOD (sueño de la muerte de Android). Si tiene una sigla debe ser cierto. No hay problema, sé cómo solucionar esto: al día siguiente cargo la tableta al 100%, luego dejo que se descargue al 2% con la pantalla encendida mientras reproduzco una película ("Buckaroo") y luego la cargo hasta el 100% sin parar. Hago esto dos veces al año, la tableta deja de fallar y se vuelve más estable. Y la pregunta es ¿por qué funciona esto?

Hace poco escribí una serie galardonada (en mi opinión) de tres partes para Digi-Key sobre el diseño de los dispositivos portátiles y en la Parte 2, "Protección y recarga de las baterías para una larga vida útil", examiné las baterías de iones de litio y los indicadores de batería. A diferencia de lo que muchos creen en Internet, el procesador principal de una tableta o de un dispositivo portátil no realiza un seguimiento sobre el nivel y el estado de la batería, esto lo hace un chip aparte. La mayoría de los dispositivos portátiles que funcionan con baterías utilizan baterías de iones de litio y en muchos de ellos hay chips de administración de la batería Maxim Integrated. Incluso cuando crees que tu dispositivo portátil está apagado, el chip de administración de la batería sigue activo, monitoreando de forma constante el estado de la batería de iones de litio.

Medir el nivel de batería de una batería de iones de litio recargable no es una simple cuestión de porcentaje de voltaje máximo. Si una batería de litio de 3.7 voltios está a 3.1 voltios, la batería no está al 84 por ciento porque en muchos casos una celda de iones de litio se considera muerta a 3.0 voltios. Pero tampoco está al 14 por ciento. Entonces ¿cómo se sabe en realidad la capacidad disponible de una batería de iones de litio?

Se llama recuento de culombios. Un chip de administración de la batería, en esencia, cuenta los culombios dentro y fuera de la batería. O más bien, el recuento de culombios realiza un seguimiento del flujo de corriente total y del voltaje a lo largo del tiempo dentro y fuera de una batería de iones de litio para determinar la capacidad disponible de la batería.

Un ejemplo simplista sería si una batería cargada por completo proporcionara 200 mA (miliamperios) durante 48 horas hasta que se agotara, la capacidad de la batería sería de 200 mA x 48 horas = 9.6 Ah (amperios-hora). En realidad, el recuento de culombios es más complejo, por lo que necesita un chip especializado con la inteligencia para hacer los cálculos. El chip MAX17303X+ Maxim Integrated es un chip de este tipo. En el circuito de aplicación que se muestra en la Figura 1 la corriente que fluye dentro y fuera de la batería de iones de litio se mide a través del resistor de detección en la parte inferior.

Figura 1: El chip de administración de la batería de iones de litio MAX17303X+ Maxim Integrated se conecta con facilidad a un microcontrolador y realiza un seguimiento de toda la corriente que entra y sale de la batería (fuente de la imagen: Maxim Integrated).

El MAX17303X+ es programable y se conecta con un microcontrolador a través de una interfaz serial I²C. Tiene un procesador interno para cálculos de batería con RAM y memoria no volátil. El chip realiza un seguimiento de toda la corriente y el voltaje que sale de la batería durante la descarga y que entra a la batería durante la carga. La empresa mejora el recuento de culombios con ModelGauge m5, un algoritmo propio patentado de indicador de batería.

La memoria no volátil almacena los niveles máximos y mínimos de el voltaje, la corriente y la temperatura de la batería junto con la información recopilada sobre el estado de la batería que debe mantenerse si se pierde la energía de la batería. Esto es importante ya que muchas baterías de iones de litio contienen circuitos de protección que evitan las descargas profundas al desactivar la batería a voltajes muy bajos hasta que se cargue.

Lo más importante para los consumidores es que el MAX17303X+ realiza un seguimiento preciso del estado de la batería para el indicador de batería. El SOC (estado de carga) se calcula como un porcentaje de la capacidad disponible de la batería en ese momento en Ah contra la capacidad máxima medida de la batería. El SOH (estado de salud) es el máximo Ah disponible de la batería, en comparación con la capacidad máxima de la batería cuando es nueva.

Aún así, no importa cuán inteligente sea el chip de administración de la batería, los errores son inevitables, así que para que el indicador de batería se mantenga exacto debe calibrarse. Calibrar significa descargar la batería del 100 por ciento hasta que quede casi vacía. Esto le da al MAX17303X+ una comprensión precisa del comportamiento de descarga. Luego, la batería se carga hasta el 100 por ciento para que el chip comprenda su capacidad de carga. En este punto, el indicador de la batería se encuentra calibrado.

Entonces, tomé mi tableta RCA y calibré la batería, con Buckaroo Banzai de nuevo ayudándome a mantener la pantalla encendida mientras la descargaba hasta el 2 por ciento y evitaba el SOD. Luego la cargué al 100 por ciento y apagué la tableta durante cinco minutos. Esto le da tiempo al chip de administración de la batería para leer el voltaje de la batería cargada por completo con una carga mínima. Después de esto la tableta dejó de bloquearse. No solo eso, sino que se volvió más sensible y más ágil al tacto.

¿Cómo funciona?

¿Por qué la calibración del indicador de batería evita que la tableta se congele? Mi teoría es que al presionar el botón para despertarse del modo de suspensión, el microcontrolador host lee primero el estado de la batería desde cualquier chip de administración de la batería que esté utilizando. Creo que el firmware del microcontrolador host lee datos inesperados (léase no codificados) y desafortunadamente el firmware no tiene un controlador de excepción para el problema, por lo que la tableta se congela. Algo similar sucede mientras la tableta está activa y monitorea de vez en cuando los datos del chip de administración de la batería.

Esto plantea la pregunta "¿Por qué no calibrar la batería todo el tiempo?". Debido a que las baterías de iones de litio se dañan de forma permanente por descargas profundas, entonces dos o tres veces al año es suficiente. Esto se aplica a todo lo que tenga una batería recargable de iones de litio, incluidos los dispositivos portátiles y los puntos terminales del IoT (Internet de las cosas).

Por lo tanto, calibrar la batería puede aumentar la estabilidad de un sistema de iones de litio. Sin duda, es necesario para un indicador de batería preciso y es muy necesario si alguna vez esperamos llegar a la^8.º dimensión.