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Ladegerät für eine Li-Ion-Zelle
Um die Lebensdauer zu verlängern und
Gefahren vom Anwender abzuwenden,
müssen Li-Ion-Zellen mit großer Sorgfalt
geladen werden. Eine präzise Überwachung
und Regelung des Ladevorgangs ist unerlässlich.
Die meisten Li-Ion-Akkus verfügen
inzwischen über eingebaute Schutzfunktionen,
um den Akku vor zu starker
Entladung, andauernder Überlastung,
Kurzschlüssen, Überhitzung usw. zu bewahren.
Es gibt eine ganze Reihe Laderegler-ICs,
die speziell für das Laden einer Li-
Ion-Zelle ausgelegt sind.
Eine einfache Lösung ist der STBC08,
der solo eingesetzt werden kann und sich
gut für die hier vorliegende Anwendung
eignet. Der Baustein ist typisch für einen
Ladestrom von C/4 (also 400 mA für einen
Akku mit 1600 mAh) programmiert. Der
Regler arbeitet nach dem Konstantstrom/
Konstantspannungs-Prinzip, benötigt weder
einen externen Stromabtastwiderstand
noch eine Sperrdiode und ist für die USB-
Stromversorgungs-Spezifikationen ausgelegt.
Ein interner Schaltungsteil, der den
Strom bei zunehmender Sperrschichttemperatur
abregelt, schützt den Baustein beim
Einsatz mit hoher Leistung oder bei hohen
Umgebungstemperaturen. Die Ladespannung
ist fest auf 4,2 V eingestellt, während
der Ladestrom mithilfe eines einzigen Widerstands
zwischen den Pins PROG und
GND programmiert werden kann.
Der Ladevorgang wird automatisch beendet,
sobald der in den Akku fließende
Ladestrom auf ein Zehntel des programmierten
Werts zurückgegangen ist. Wird
das externe Netzteil entfernt, schaltet der
STBC08 ab, und es kann ein Strom von 2
µA vom Akku an den Baustein fließen. Der
Chip lässt sich außerdem in einen Shutdown-Modus
schalten, in dem sich die
Stromaufnahme am ICC-Pin auf 25 µA
verringert. Eine Ladestromüberwachung,
eine Unterspannungs-Sperre und eine automatische
Wiederaufladefunktion ergänzen
den Funktionsumfang des Bausteins.
Das Ende des Ladevorgangs und das Vorliegen
der Eingangsspannung werden an
zwei separaten Status-Pins signalisiert.
www.elektronik-industrie.de
Der Hochsetzsteller
Bei der Versorgung von Verbrauchern wie
etwa Mobiltelefonen, MP3-Playern usw. ist
es erforderlich, die Spannung standardmäßig
auf 5 V zu halten. Die Li-Ionen-Zelle
aber liefert nominell nur 3,7 V. Die Ausgangsspannung
des Akkus muss also mit
einem Hochsetzseller angehoben werden.
Dieser muss zudem mit einem hohen Wirkungsgrad
arbeiten, um die Lebensdauer
des Akkus zu maximieren. Im vorliegenden
Fall kommt ein L6920 mit integriertem
Leistungsschalter und Synchrongleichrichter
zum Einsatz. Der hocheffiziente Baustein
benötigt nicht mehr als drei externe
Bauelemente, um die Akkuspannung in die
gewünschte Ausgangsspannung zu verwandeln.
Der integrierte Synchrongleichrichter
ist mit einem P-Kanal-MOSFET mit einem
R DS(on)
von 120 mΩ implementiert. Zur Anhebung
des Wirkungsgrads wird mit variabler
Schaltfrequenz gearbeitet. Um den
Baustein auf eine Spannung von 5 V zu
programmieren, ist lediglich der FB-Pin an
Masse zu legen. Als Schutz vor länger andauernden
Kurzschlüssen und Überlastungen
ist am Ausgang ebenfalls ein Überlastungsschutz
erforderlich, der sich mit einer
selbstrückstellenden Sicherung implementieren
lässt. Obwohl ein solcher Baustein
eine Strombegrenzung bewirkt, wird die
Zuverlässigkeit der Schaltung im praktischen
Einsatz durch dieses passive Bauelement
erheblich verbessert.
Das komplette System lässt sich leicht auf
einer kleinen Leiterplatte unterbringen.
Dank des hohen Wirkungsgrads und der
geringen Abmessungen der wichtigsten
Bauelemente können optimal dimensionierte
Pads und Leiterbahnen auch die
Wärmeableitung übernehmen. Der sorgfältige
Einsatz einer Kupferfläche, die Verwendung
von Stromversorgungs- und
Masse-Leiterbahnen mit der richtigen Breite
und die Anordnung von Wärmeableit-
Pads mit Vias unterhalb der Bauelemente
verbessern die Voraussetzungen für den
Dauerbetrieb bei Nennleistung mit minimaler
Wärmeentwicklung. Wann immer
sich Leiterbahnen auf der Ober- und Unterseite
überlappen, lässt sich der Wärmewiderstand
mithilfe mehrerer Vias entscheidend
verringern, was ein kompaktes
Design ermöglicht. Die gesamte Schaltung
lässt sich in einem wasserdichten Gehäuse
unterbringen, wobei es nur zu einer geringen
Wärmeerhöhung kommt.
Diese Abhandlung ist bewusst allgemein
gehalten. Varianten der verwendeten Bauelemente
mit abweichenden Nennspannungen
und strömen können – abgestimmt
auf die Anforderungen des Anwenders –
verwendet werden. Die Li-Ion Ladeschaltung
lässt sich auch mit diskreten Bauelementen
und einem stromsparenden Mikrocontroller
realisieren. (jj)
n
Die Autoren: Manoj Kumar, Imayavaramban RM
und Ranajay Mallik sind Mitarbeiter von
STMicroelectronics.
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