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Leistungselektronik / Stromversorgungen
Lade-ICs
Auswahl des richtigen Lade-ICs
Für Anwendungen mit einzelnen Li-Ion-Akkuzellen
Für den Aufbau von Schaltungen zum Laden einzelner Lithium-Ion-Akkuzellen gibt es zahlreiche
Möglichkeiten. Bei der Wahl der richtigen integrierten Schaltung für den jeweiligen Anwendungsfall
müssen daher mehrere Faktoren wie Baugröße, USB-Kompatibilität, Größe des Ladestroms und Kosten
gegeneinander abgewogen werden. In diesem Artikel werden die verschiedenen Laderegler-Topologien
untersucht und einige der Funktionen heutiger Akkulader-ICs betrachten. Autor: William Hadden,
Li-Ion-Akkus müssen werden in zwei Stufen geladen: mit
einem Konstantstrom (CC) und einer -spannung. Solange
die Spannung unter dem Wert des voll geladenen Akkus
liegt, wird dem Akku ein konstanter Strom eingeprägt. Im
CC-Modus wird dieser Strom auf einen von zwei Werten geregelt.
Ist die Akkuspannung sehr niedrig, so wird der Ladestrom auf einen
Vorbereitungs-Ladestrom reduziert, um die Zelle auf den eigentlichen
Ladevorgang vorzubereiten und Beschädigungen zu
verhindern. Sobald die Zellenspannung den Schwellenwert der
Vorbereitungsladung überschreitet, wird der Ladestrom auf den
Wert für den Schnellladevorgang erhöht. . Während des Ladevorgangs
steigt die Akkuspannung. Wenn sie die Nennspannung (typisch
4,2 V) erreicht hat, wird der Ladestrom abgesenkt, während
die Zellenspannung auf einen konstanten Wert geregelt wird, um
ein Überladen zu verhindern. In dieser Betriebsart fällt der Strom
ab, während die Zelle geladen wird. Ist der Strom auf einen zuvor
festgelegten Wert gesunken (typisch 10 Prozent des Schnellladestroms),
so wird der Ladevorgang beendet. Bild 1 zeigt einen typischen
Ladezyklus.
Lineare und geschaltete Lösungen im Vergleich
Zum Umwandeln der Adapterspannung in die Zellenspannung sowie
zum Steuern der einzelnen Ladephasen gibt es zwei unterschiedliche
Topologien: Linearregler und Schaltregler. Beide Topologien
haben Vor- und Nachteile hinsichtlich der Größe, des
Wirkungsgrades, der Kosten und der elektromagnetischen Abstrahlung
. die Folgenden näher beleuchtet werden.
Schaltregler sind in der Regel die beste Wahl, da sie die höchsten
Wirkungsgrade erreichen. Ladereglerschaltungen dieser Art benötigen
ein Schaltelement, einen Gleichrichter, eine Induktivität sowie
Eingangs- und Ausgangskondensatoren. Die Wirkungsgrade
dieser Schaltungen bewegen sich je nach Last zwischen 80 und 96
Prozent. Schaltregler beanspruchen in der Regel wegen der Größe
der Induktivität mehr Platz und sind im Allgemeinen auch teurer.
Überdies erzeugen solche Regler über die Induktivität elektromagnetische
Störungen.
In linearen Ladereglern werden Gleichspannungen kostengünstig
und mit geringen Störungen als im Schaltregler herabgesetzt.
Bei ihnen wird der Ladestrom reguliert, indem der Widerstand des
Durchgangselements so gesteuert wird, dass der in den Akku fließende
Strom begrenzt wird. Daher ist der Wirkungsgrad dieser
Lösung gleich dem Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsspannung.
Nachteilig bei der LDO-Lösung ist der niedrige Wirkungsgrad
bei einem hohen Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung
(d. h. bei entladenem Akku). Für hohe Ladeströme sind
LDO-Regler ungeeignet, da die gesamte Leistung vom Durchgangselement
als Verlustleistung abgegeben wird,
Welche Topologie sollte man wählen?
Der erste zu untersuchende Parameter ist der Ladestrom. Für Bluetooth-Headsets,
die mit Strömen zwischen 25 mA und 150 mA
geladen werden, ist ein linearer Laderegler fast immer die beste
Lösung. Diese Anwendungen sind im Allgemeinen sehr kompakt
aufgebaut und bieten nicht den Platz für die höhere Bauelementezahl
eines Schaltreglers. Der verlustleistungsbedingte Temperaturanstieg
wegen der sehr geringen Leistungsaufnahme ist hier vernachlässigbar.
In Mobiltelefonanwendungen liegen die Ladeströme
typisch zwischen 350 und 700 mA. Auch hier ist eine lineare Lösung
häufig noch sehr praktikabel. Bei Anwendungen, in denen
größere Akkus verwendet werden und der geforderte Ladestrom
größer als 1,5 A ist, ist eine geschaltete Lösung schon sinnvoller.
Bei 1,5 A wird unter Umständen schon eine beachtliche Verlustwärme
freigesetzt.
Bild: Texas Instruments
Bild 1: Typischer Li-Ion-Ladezyklus.
Auswahl des richtigen ICs
Nach Abschluss der thermischen Analyse und Festlegung der Ladeschaltungstopologie
kann man sich an die Auswahl des für die
konkrete Anwendung optimalen Regler-ICs machen. In neuen
Akkulader-Lösungen sind zahlreiche Funktionen integriert, die
zur Optimierung des Gesamtsystems genutzt werden können. Diese
werden im Folgenden vorgestellt.
38 elektronik industrie 04 / 2011
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