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Lade-ICs Lade-Topologien für akkubetriebene Systeme im Vergleich

| Autor/ Redakteur: Alvaro Aguilar * / Gerd Kucera

Am Beispiel von acht Lade-ICs zeigt dieser Artikel die notwendigerweise unterschiedlichen Topologien eines Ladesystems für portable Geräte und erklärt den Nutzen für gängige Anwendungen.

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Bild 1: Eine typische lineare Ladeschaltung mit der Architektur links (a) und das Layout des EVM (Evaluation Module) mit dem Baustein BQ25150 (rechts)
Bild 1: Eine typische lineare Ladeschaltung mit der Architektur links (a) und das Layout des EVM (Evaluation Module) mit dem Baustein BQ25150 (rechts)
(Bild: Texas Instruments)

Weil batteriebetriebene Elektronik in ihren jeweiligen Anwendungen unterschiedliche Spannungen und Ströme benötigen, gibt es unterschiedliche Batterien, Batterie-Chemikalien und Ladekonfigurationen. Elektrowerkzeuge, Laptops und Drohnen zum Beispiel erfordern mehr Leistung als Fitness Tracker oder drahtlose Kopfhörer. Dies ist ein großes Leistungsspektrum und verlangt ein entsprechend großes Lösungsangebot an Batterielade-Topologien.

Die Entscheidung für das richtige Batterielade-Konzept erfordert viel Überlegung. Alle batteriebetriebenen Anwendungen enthalten einen Verbraucher, der von der Batterie sicher versorgt werden muss. Zudem sind es die Anforderungen eben dieser Verbraucher, die alle für einen korrekten Betrieb erforderlichen Spannungen und Ströme festlegen. Um eine höhere Spannung zu erzielen, kann der verwendete Batteriesatz mehrere in Reihe geschaltete Zellen enthalten oder dazu eine Parallelschaltung aus mehreren Zellen besitzen, die für eine höhere Kapazität sorgen. Die Konfiguration des Akkusatzes legt wiederum die Anforderungen an die Ladeschaltung (beispielsweise Strom und Spannung) fest.

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Abgesehen von diesen Faktoren muss für ein batteriebetriebenes Gerät eine Stromquelle vorgesehen sein, aus der die Batterie in einer vernünftigen Zeitspanne aufgeladen werden kann. Zu den üblichen Stromquellen gehören Ladegeräte und USB-Stromversorgungen, die in Sachen Strom und Spannung unterschiedliche Fähigkeiten besitzen. Der eingesetzte Batterielade-IC muss für alle vorgesehenen Stromquellen geeignet sein und den Akku entsprechend laden können.

Batterielade-Topologien für Lithium-Ionen-Akkus

Ein Batterielade-IC entnimmt Energie aus einer eingangsseitigen Gleichstromquelle und verwendet sie zum Laden der jeweiligen Batterie. Die dafür notwendige Leistungswandlung lässt sich mit verschiedenen Topologien erzielen, die jeweils durch Vor- und Nachteile sowie Optimierungen gekennzeichnet sind. Die lineare Ladeschaltung moduliert den Widerstand eines Längselements zum Regeln der Ladespannung und des Ladestroms. Alternativ dazu moduliert ein Direktlader die eingangsseitige Spannungsquelle unmittelbar. In diesem Fall verwendet die Ladeschaltung ein Längselement als Kurzschlusswiderstand. Das Batterieladesystem muss hier mit der Eingangsquelle kommunizieren, um einen vollständigen Ladezyklus abzuwickeln. Sowohl Linear- als auch Direktladeschaltungen erfordern für ihre korrekte Funktion eine über der Akkuspannung liegende Eingangsspannung.

Eine getaktete Ladeschaltung moduliert das Tastverhältnis eines geschalteten Netzwerks und verwendet einen als Tiefpass fungierenden LC-Filter zum Regeln des Ladestroms oder der Ladespannung unabhängig von der eingangsseitigen Stromversorgung. Durch unterschiedliches Anordnen der Schaltelemente und des LC-Filters kann ein solches Ladegerät für Batterien verwendet werden, deren Spannung größer oder kleiner ist als die Eingangsspannung. Nachfolgend werden dazu unterschiedliche Ladelösungen vorgestellt und in ihren wesentlichen charakteristischen Merkmalen beschrieben.

Lineare Ladeschaltungen: Wie Bild 1 zeigt, besteht eine typische lineare Ladeschaltung (a) aus zwei bidirektionalen Sperrschaltern zum Isolieren des Eingangs- und des Ausgangsanschlusses. Der (häufig als PMID bezeichnete) Punkt zwischen diesen beiden Schaltungen kann zur Versorgung des Systems verwendet werden. Die Systemspannung kann somit zwischen der Eingangsspannung (falls vorhanden) und der Batteriespannung (nach Entfernen der Eingangsquelle) liegen. Diese Trennung zwischen Systemspannung und Batteriespannung wird als „Power Path Management“ bezeichnet und ist ein häufiges Merkmal von Batterieladeschaltungen. Während des normalen Betriebs mit vorhandener Eingangsquelle schaltet der erste Schalter ein und gibt den Weg zum Knoten PMID frei, während der zweite Schalter seinen Widerstand moduliert, um den Strom und die Spannung am Batterieausgang zu regeln.

Der Nutzen einer linearen Ladeschaltung resultiert in erster Linie aus dem einfachen Design und kommt in Anwendungen zum Tragen, die nach möglichst wenig Leiterplattenfläche (hier 12 mm2) und einer minimalen Ruhestromaufnahme verlangen. Außerdem können Ladeschaltungen dieser Art eine hohe Regelgenauigkeit bei niedrigen Ladeströmen erreichen und sind frei von Schleifen, die mit hoher Frequenz geschaltet werden, sodass sich die EMV-Probleme auf ein Minimum beschränken.

Der Hauptnachteil dieser Lösungen ist der niedrige Wirkungsgrad (η), der ausschließlich durch das Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Batteriespannung bestimmt wird (η=VBAT/VIN). Aus diesem Grund werden lineare Ladeschaltungen vorwiegend in Anwendungen eingesetzt, die einen Ladestrom von weniger als 1 A benötigen (z.B. Fitness-Tracker und kabellose Ohrhörer). Die im weiteren Verlauf dieses Artikels beschriebene Direkt-Ladeschaltung erreicht übrigens mit derselben Architektur einen höheren Wirkungsgrad, indem sie die Differenz zwischen VIN und VBAT minimiert. In Bild 1b ist als Beispiel die Größe der Leiterplatte für das Evaluation Module (EVM) einer linearen Ladeschaltung mit dem Baustein BQ25150 gezeigt.

Bild 2: Typische Abwärts-Ladeschaltung mit seiner Architektur links (a) und dem Layout des EVM mit dem BQ25898 rechts (b).
Bild 2: Typische Abwärts-Ladeschaltung mit seiner Architektur links (a) und dem Layout des EVM mit dem BQ25898 rechts (b).
(Bild: Texas Instruments)

Bild 2 zeigt links (a) eine typische getaktete Abwärts-Ladeschaltung aus vier Schaltern. Der als Rückstromsperre dienende FET unterbindet ein Entladen der Batterie in den Eingang hinein, zwei Schalt-FETs fungieren als Abwärts-Gleichspannungswandler und ein Batterie-FET übernimmt die bereits erwähnte Power-Path-Management-Funktion. Bei dieser Architektur wird das System entweder vom Ausgang des Abwärtswandlers (bei angeschlossener Eingangsquelle) oder von der Batterie gespeist (wenn die Eingangsquelle entfernt wurde oder überlastet ist).

Ladeschaltungen für einzellige Batterien

Getaktete Abwärts-Ladeschaltungen: Sie sind frei von den Wirkungsgrad-Einschränkungen linearer Ladeschaltungen. In der Regel können sie am optimalen Betriebspunkt einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 91% einhalten. Dieser Wert lässt sich übrigens durch Änderungen an den Halbleitern und den externen Bauelementen skalieren. Steht der Schaltung eine größere Fläche zur Verfügung, so ermöglicht dies einen größeren Wirkungsgrad bei höheren Ladeströmen. Dank ihrer Vielseitigkeit ist die Abwärts-Ladeschaltung eine beliebte Wahl für Ladeströme von mehr als etwa 1 A. Zu den Anwendungen zählen Gaming-Controller, Handheld-Geräte und portable Powerbank-Lösungen. Da der Abwärtswandler bei der Spannungswandlung mit hoher Frequenz schaltet, werden Störgrößen erzeugt und mögliche EMV-Probleme verursacht. In Bild 2 ist rechts (b) ein exemplarisches Leiterplatten-Design für das EVM einer Abwärts-Ladeschaltung mit dem Baustein BQ25898 dargestellt.

Bild 3: Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung mit fliegendem Kondensator mit der Architektur links (a) und dem EVM-Layout des BQ25910 rechts (b).
Bild 3: Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung mit fliegendem Kondensator mit der Architektur links (a) und dem EVM-Layout des BQ25910 rechts (b).
(Bild: Texas Instruments)

Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltungen: Durch das Hinzufügen eines „fliegenden“ Kondensators (CFLY, Kondensator einer Ladungspumpe) entsteht die in Bild 3a gezeigte Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung, die gegenüber der Schaltung aus Bild 2 den Vorteil hat, dass sich die Spannungsbelastung der Schalt-FETs halbiert, während sich die effektive Schaltfrequenz verdoppelt. In der Induktivität kommt es außerdem zu einer Reduzierung des Welligkeitsstroms um den Faktor vier. Gemeinsam sorgen diese Verbesserungen für einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte, was sich in Abwärtswandlern normalerweise nicht miteinander vereinbaren lässt.

Der Schaltknoten eines typischen Abwärtswandlers wechselt zu allen Zeiten zwischen VBUS und GND. Unter der Annahme, dass CFLY stets auf VBUS/2 bleibt, alterniert der Schaltknoten in der Drei-Pegel-Architektur dagegen abhängig vom Umwandlungsverhältnis entweder zwischen VBUS und VBUS/2 oder zwischen VBUS/2 und GND. Folglich wird eine geringere Induktivität benötigt, was zu einem höheren Wirkungsgrad und weniger Flächenbedarf führt.

Die Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung kann einen noch höheren Wirkungsgrad (etwa 95%) und eine noch geringere Fläche erzielen als traditionelle Abwärts-Ladeschaltungen. Dank ihres hohen Wirkungsgrades und seiner ausgezeichneten thermischen Eigenschaften ist dieses Design attraktiv für die hohen Ladeströme (ca. 2,5 bis 4,5 A), die von modernen Smartphones benötigt werden. In Bild 3 ist als Beispiel die Leiterplattengröße einer Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung mit dem Bausteil BQ25910 dargestellt.

Bild 4: Eine typische Direkt-Ladeschaltung mit Architektur eines Flash Chargers (a), dem Layout des EVM mit dem BQ25871 (b), der Architektur einer 2:1-SC-Ladeschaltung (c) und dem Layout des EVM mit dem BQ25970 (d).
Bild 4: Eine typische Direkt-Ladeschaltung mit Architektur eines Flash Chargers (a), dem Layout des EVM mit dem BQ25871 (b), der Architektur einer 2:1-SC-Ladeschaltung (c) und dem Layout des EVM mit dem BQ25970 (d).
(Bild: Texas Instruments)

Direkt-Ladeschaltungen: Die bislang beschriebenen Lösungen enthalten Schaltungen zum Regeln der Ladespannung oder des Ladestroms. Eine Direkt-Ladeschaltung dagegen lagert die Regelung an ein externes Netzteil aus und nutzt eine Methode, bei der der Eingang direkt mit dem Ausgang der Ladeschaltung verbunden wird. Mit diesem Verfahren lassen sich Wirkungsgrade von über 96% erreichen (beispielsweise Kurzschluss-FET zwischen VBUS und VBAT; Beschreibung zu Bild 4 weiter unten). Somit eignen sich Direkt-Ladelösungen heute für sehr hohe Ladeströme zwischen 4 A und bis zu 8 A. Nachteilig ist die Notwendigkeit eines Netzteils mit hoher Regelgenauigkeit und eines speziellen Hosts, der die Batteriewerte konstant überwacht und mit dem Adapter kommuniziert, um für die korrekte Regelung zu sorgen.

Zwei populäre, heute verfügbare Direkt-Ladeschaltungen sind der Flash Charger in Bild 4a und der 2:1-Switched-Capacitor (SC) Charger in Bild 4c. Der Flash Charger bedient sich zum Laden zweier Kurzschluss-FETs zwischen VBUS und VBAT. Dies führt nicht nur zu unerreicht geringen Verlusten für eine Ladeschaltung, sondern ergibt außerdem die am meisten Platz sparende Option unter den Direktlade-Topologien. Nachteilig ist dagegen, dass der Batteriestrom gleich dem Strom im Eingangskabel ist, sodass teure Kabel mit hoher Stromtragfähigkeit benötigt werden.

Als Alternative hierzu kann eine 2:1-SC-Ladeschaltung auf sehr hohe Wirkungsgrade kommen, während sich gleichzeitig der Eingangsstrom verringert. Die SC-Ladeschaltung ist ein ungeregelter Schaltwandler, der den Eingangsstrom verdoppelt und die Eingangsspannung halbiert. Aus diesem Grund verlangt diese Lösung nach einem intelligenten Netzteil, das sich auf das Doppelte der Batteriespannung regeln lässt. Da IBAT doppelt so hoch ist wie IBUS, kommt diese Lösung auf den höchsten Ladestrom von 8 A. Die Bilder 4b und 4d zeigen Beispiele für die Größe der Leiterplatten eines Flash Chargers und einer 2:1-SC-Ladeschaltung.

Wirkungsgradvergleich der Ladeschaltungen

Bild 5: Ladeeffizienz als Funktion des Ladestroms verschiedener, für einzellige Batterien geeigneter Lade-Topologien (Flash Charger: BQ2587x, 2:1 SC-Ladeschaltung: BQ2597x, Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung: BQ25910, große Abwärts-Ladeschaltung: BQ2589x und kleine Abwärts-Ladeschaltung: BQ2560x).
Bild 5: Ladeeffizienz als Funktion des Ladestroms verschiedener, für einzellige Batterien geeigneter Lade-Topologien (Flash Charger: BQ2587x, 2:1 SC-Ladeschaltung: BQ2597x, Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung: BQ25910, große Abwärts-Ladeschaltung: BQ2589x und kleine Abwärts-Ladeschaltung: BQ2560x).
(Bild: Texas Instruments)

Das Bild 5 zeigt für die bisher besprochenen Topologien die Lade-Effizienz als Funktion des Ladestroms. Die einzelnen Topologien zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

  • Der Flash Charger erreicht den höchsten Wirkungsgrad, bringt aber hohe Kosten für das Eingangskabel und den Adapter mit sich.
  • Die 2:1-SC-Ladeschaltung bietet einen hohen Wirkungsgrad und senkt die Kosten für das Eingangskabel, erfordert aber nach wie vor eine Kommunikation mit dem Netzteil, um die Regelung auf VBUS=2xVBAT zu bewirken.
  • Die Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung erzielt bei weniger Leiterplattenfläche einen deutlich höheren Wirkungsgrad als die normale Abwärts-Ladeschaltung. Die Lösung eignet sich für herkömmliche 5-V-USB-Versorgungen oder Netzteile mit höherer Spannung.
  • Einfach und vielseitig ist die Abwärts-Ladeschaltung, deren Wirkungsgrad sich über die Kosten und den Flächenbedarf der Schaltung skalieren lässt. Auch sie ist für herkömmliche 5-V-USB-Versorgungen oder Netzteile mit höherer Spannung geeignet. Die Wirkungsgrade der Abwärts-Ladeschaltung und der Drei-Pegel-Abwärts-Ladeschaltung beziehen sich auf eine Eingangsspannung von 9 V.

Doppel-Ladeschaltungen für höhere Ströme

Von der Smartphone-Industrie werden Doppel-Ladeschaltungen schon seit 2015 eingesetzt, um höhere Ladeströme zu erreichen. Hierbei werden einfach zwei Ladeschaltungen parallelgeschaltet. Eine Haupt-Ladeschaltung stellt den Ladestrom zur Verfügung und unterstützt die Systemlast. Eine parallelgeschaltete Ladeschaltung erzeugt mit hohem Wirkungsgrad einen zusätzlichen Ladestrom. Doppel-Ladeschaltungen lassen sich mit allen bislang in diesem Artikel beschriebenen geschalteten Topologien realisieren.

Geschaltete Ladeschaltungen für mehrzellige Batterien

Aufwärts-Ladeschaltungen: Eine Aufwärts-Ladeschaltung arbeitet im Prinzip wie eine umgekehrte Abwärts-Ladeschaltung, indem sie für das System eine Ausgangsspannung erzeugt, die höher als die Eingangsspannung ist. Dies erlaubt die Versorgung von Verbrauchern, die für eine korrekte Funktion nach hohen Spannungen und/oder hohen Spitzenströmen verlangen (z.B. Motoren, Drucker oder Lautsprecher).

Bild 6: Typische Aufwärts-Ladeschaltung für zwei Zellen mit Architektur links (a) und EVM-Layout für den BQ25882 rechts (b).
Bild 6: Typische Aufwärts-Ladeschaltung für zwei Zellen mit Architektur links (a) und EVM-Layout für den BQ25882 rechts (b).
(Bild: Texas Instruments)

Die auf dem Markt üblicherweise angebotenen Aufwärts-Ladeschaltungen können einen aus zwei Lithium-Ionen-Zellen bestehenden Akku aus einer herkömmlichen 5-V-USB-Quelle laden. Ein Cell-Balancing ist empfehlenswert, um bei einer Serienschaltung aus mehr als zwei Batterien die Kapazität des Akkusatzes bestmöglich auszuschöpfen und die Lebensdauer zu maximieren. Einige Ladeschaltungen sind möglicherweise mit Cell-Balancing ausgestattet. In Bild 6 sind die typische Architektur und eine beispielhafte Leiterplatte einer Aufwärts-Ladeschaltung für zwei Zellen zu sehen.

Bild 7: Typischer Abwärts-Aufwärts-Laderegler mit Architektur links (a) und EVM-Layout mit dem BQ25713.
Bild 7: Typischer Abwärts-Aufwärts-Laderegler mit Architektur links (a) und EVM-Layout mit dem BQ25713.
(Bild: Texas Instruments)

Abwärts-Aufwärts-Laderegler: Der Abwärts-Aufwärts-Laderegler steuert vier externe Schalt-FETs an, um eine Batterie aus einer Eingangsquelle zu laden, deren Spannung sowohl größer als auch kleiner als die gewünschte Ladespannung sein kann. Der Regler wechselt übergangslos zwischen der Abwärts-, Abwärts-Aufwärts- und Aufwärts-Betriebsart und stellt deshalb eine universelle Lösung zum Laden von Akkus mit ein bis vier Zellen dar. Der Eingangsspannungsbereich ist kompatibel zum USB-PD-Standard (Power Delivery), der beliebige Spannungen zwischen 3,5 und 24 V vorsieht. Diese breite Spanne sorgt für vermehrte Flexibilität und macht die Lösung attraktiv für Staubsauger-Roboter, Drohnen und tragbare Computer. Bild 7 zeigt die typische Architektur und eine exemplarische Leiterplatte einer Abwärts-Aufwärts-Ladeschaltung.

Effizienzvergleich zwischen Aufwärts- und Abwärts-Aufwärts-Topologien

Bild 8: Ladeeffizienz als Funktion des Ladestroms für Aufwärts- und Abwärts-Aufwärts-Ladeschaltungen (Abwärts-Aufwärts: BQ2571x, Aufwärts: BQ25882).
Bild 8: Ladeeffizienz als Funktion des Ladestroms für Aufwärts- und Abwärts-Aufwärts-Ladeschaltungen (Abwärts-Aufwärts: BQ2571x, Aufwärts: BQ25882).
(Bild: Texas Instruments)

Aus dem Diagramm in Bild 8 gehen die Lade-Effizienz der Aufwärts-Ladeschaltung und des Abwärts-Aufwärts-Ladereglers als Funktion des Ladestroms hervor – jeweils konfiguriert zum Laden eines Akkus mit zwei in Serie geschalteten Zellen aus einer 5-V-Quelle. Es folgen die charakteristischen Merkmale jeder Topologie:

  • Ein Abwärts-Aufwärts-Laderegler verbindet eine hohe Lade-Effizienz mit einem hohen Ladestrom, benötigt aber wegen der externen Leistungs-FETs mehr Platz.
  • Die Aufwärts-Ladeschaltung eignet sich für bis zu 15 W Eingangsleistung zum Laden eines Akkus aus zwei Zellen in Serie. Außerdem enthält sie alle Leistungs-FETs, was die Maße der Lösung reduziert und den Schaltungsentwurf vereinfacht.

Zusammenfassung : Die Topologien der entsprechenden Ladeschaltungen wurden weiterentwickelt, um die unterschiedlichen Anforderungen batteriebetriebener Geräte bestmöglich zu erfüllen. Während es bei Fitness-Trackern auf eine extrem niedrige Ruhestromaufnahme ankommen kann, ist bei Drohnen-Designs möglicherweise die Eignung für mehrzellige Batteriekonfigurationen entscheidend. In der Tabelle (siehe Bildergalerie) sind die verschiedenen Lade-Topologien mit ihren wichtigen Daten und Eigenschaften zusammengefasst.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Leistungselektronik und Stromversorgungen I der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

* Alvaro Aguilar ist Battery Charger Systems Engineer bei Texas Instruments.

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