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Schaltung

Einfache, kostengünstige Schaltung für ein USB-Ladegerät

| Autor / Redakteur: Budge Ing, Applikationsingenieur bei Maxim Integrated. / Kristin Rinortner

Bild 1: Gespeist aus einem USB-Port, versorgt die Schaltung einen kleinen Verbraucher und lädt einen als Pufferbatterie dienenden Li-Ion-Akku. Der Eingang von U1 verkraftet Spannungen bis zu 28 V. (Bild: Maxim Integrated)
Bild 1: Gespeist aus einem USB-Port, versorgt die Schaltung einen kleinen Verbraucher und lädt einen als Pufferbatterie dienenden Li-Ion-Akku. Der Eingang von U1 verkraftet Spannungen bis zu 28 V. (Bild: Maxim Integrated) (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

In diesem Tipp stellen wir eine Schaltung vor, die – gespeist aus einer USB-Schnittstelle – einen kleinen Verbraucher versorgt und einen als Pufferbatterie dienenden Lithium-Ion-Akku lädt.

Die in Bild 1 beschriebene Schaltung nutzt eine USB-Schnittstelle um einen Verbraucher, der nur wenig Strom benötigt, zu versorgen und einen Lithium-Ion-Akku zu laden. Fällt die Stromversorgung aus dem USB-Anschluss aus, wird der Verbraucher auf Batterieversorgung umgeschaltet.

Bild 1: Gespeist aus einem USB-Port, versorgt die Schaltung einen kleinen Verbraucher und lädt einen als Pufferbatterie dienenden Li-Ion-Akku. Der Eingang von U1 verkraftet Spannungen bis zu 28 V. (Bild: Maxim Integrated) Bild 1: Gespeist aus einem USB-Port, versorgt die Schaltung einen kleinen Verbraucher und lädt einen als Pufferbatterie dienenden Li-Ion-Akku. Der Eingang von U1 verkraftet Spannungen bis zu 28 V.

Um eine Tiefentladung zu vermeiden, unterbricht ein Trennschalter die Verbindung zum Akku, sobald dessen Spannung auf einen vom Anwender vorgegebenen Wert sinkt. Das Füllstands-Management gehört nicht zum Funktionsumfang dieser Schaltung. Dieser Entwurf lässt sich für mobile Geräte mit geringer Leistungsaufnahme einsetzen, so z.B. für Systeme, die periodisch Datenpakete per Funk übertragen.

Die aus wenigen ICs und externen Bauelementen bestehende Schaltung stellt eine integrierte Lösung dar. Es gibt zwar zahlreiche Lösungen, die sowohl das Schalten des Laststroms als auch das Laden des Akkus unterstützen, aber dieses Design weist eine Reihe von Vorteilen auf: Es handelt sich um eine einfach implementierbare, analog basierte und eigenständige Lösung, die ohne Mikrocontroller auskommt. Darüber hinaus ist die Schaltung flexibel und kostengünstig.

Mit kleinen Abmessungen ist sie für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen geeignet. Ein weiterer Vorzug besteht in seiner Unempfindlichkeit gegenüber schwankenden Eingangsspannungen und Spannungsspitzen.

Die meisten USB-Ladegeräte akzeptieren ausschließlich Spannungen von 4 bis 7 V und können Schaden nehmen, wenn am Eingang mehr als 7 V anliegen. Die Schaltung funktioniert nur, wenn die Eingangsspannung weniger als 7 V beträgt. Sie verkraftet aber Eingangsspannungen bis 28 V.

Die Schaltung enthält einen linearen 1-Zellen-Lader, der aus einer Gleichstromquelle eine einzelne Lithium-Ion-Akkuzelle lädt. Diese Stromquelle liefert den Laststrom und lädt den 1-Zellen-Akku. Der Strom wird hierzu aufgeteilt. Der verfügbare Strom wird mithilfe von RSET festgelegt und dient zur Versorgung des Verbrauchers.

Solange dieser Verbraucher nicht den maximalen Strom von 400 mA aufnimmt, kann der nicht benötigte Strom zum Laden des Akkus genutzt werden. Steht die Gleichstromquelle nicht zur Verfügung und fällt die Zellenspannung unter einen vom Anwender vorgegebenen Wert, aktiviert ein Spannungswächter einen niederohmigen Schalter, um die Akkuzelle vom Verbraucher zu trennen. Damit wird eine Tiefentladung des Akkus verhindert.

Der U1 (MAX8814) ist ein linearer Lithium-Ion-Akkulader, der mit seinem Eingangsspannungsbereich von 4,25 bis 7 V den gesamten USB-Bereich abdeckt. Während der Eingang von U1 Spannungen bis zu 28 V verkraftet, wird sein Ausgang deaktiviert, sobald die Gleichspannung an seinem Eingang die Grenze von 7 V übersteigt.

Die Ladespannung von U1 ist werksseitig fest auf 4,2 V eingestellt. Vom Anwender festgelegt werden kann dagegen der maximale Ladestrom ICHARGE: er beträgt 1,596 V / RSET. Bei einem RSET-Wert von 2,8 kΩ ergibt sich somit ein maximaler Ladestrom von 570 mA.

Bei U2 (MAX9646) handelt es sich um einen stromsparenden Komparator, dessen interne Referenzspannung von 0,2 V mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden ist. Der zur Überwachung der Zellenspannung dienende Komparator besitzt einen Gegentakt-Ausgang. UTRIP beträgt 0,2 V × (R1 + R2)/R2. Die Auslösespannung ist 3,5 V bei R1 = 82,5 kΩ und R2 = 5 kΩ.

Wenn die Zellenspannung auf 3,5 V fällt, schaltet der Ausgang von U2 das IC U3 (MAX14680), einen Batterieschalter mit einem Widerstand von 0,01 Ω, ab. Die Akkuzelle wird so vom Verbraucher getrennt.

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