Ladeschaltungen entwickeln: Ein Laderegler für alle Arten von Akkus

Was wäre, wenn Sie den Lade-IC in Ihrer Schaltung als Black-Box behandeln könnten, die erst zum Schluss mit dem IC befüllt wird? Das würde Ihnen zumindest das Durchforsten zahlreicher Datenblätter ersparen. Wir stellen Ihnen einen Laderegler vor, mit dem das möglich ist.

Der erste Schritt bei der Entwicklung einer Akku-Ladeschaltung besteht darin, den Batterieladeregler aus den vielen verfügbaren Lösungen auszuwählen. Dazu müssen Sie zuerst die Parameter des Akkus (Chemie, Zellenanzahl etc.) sowie die Eingangsgrößen (Solarzelle, USB, etc.) definieren.

Dann müssen Sie nach dem Laderegler suchen, der für die Ein- und Ausgangsparameter passt und dazu zahllose Datenblätter vergleichen. Mit diesem Prozess findet ein Entwicklerteam in der Regel die beste Lösung für die Anwendung. Doch wenn sich anschließend einige Parameter ändern, heißt das wiederum: zurück zu den Datenblättern.

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Was wäre, wenn man diese Schritte überspringen könnte? Was wäre, wenn sich der Entwickler auf seine Anwendung konzentrieren könnte, indem er den Ladebaustein als Black-Box behandelt? Die Black-Box wird dann später, wenn eine funktionierende Lösung erstellt wird, mit einem realen IC befüllt.

Früher war alles besser

Früher griff der Entwickler einfach ins Regal und suchte einen Standard-Batterielade-IC heraus, ohne sich Gedanken über die Parameter zu machen. Selbst bei Änderungen der Anwendungsoptionen (Eingänge abgeschaltet, Batterietyp geändert etc.) passte der handelsübliche Batterielade-IC meist immer noch. Eine zusätzliche Suche in Datenblättern war nicht notwendig.

Das Problem heute lässt sich anhand von zwei sehr unterschiedlichen Entwicklungsaufgaben für ein Ladegerät veranschaulichen (Bild 1):

• Das Entwicklerteam A hatte die Aufgabe eine Batterieladeschaltung zu entwerfen, die über einen Solarzelleneingang einen Blei-Akku lädt. Die Ladeschaltung muss ohne Mikrocontroller arbeiten, sollte aber variabel genug sein, um mehrere unterschiedliche Solarzellenmodelle zu unterstützen. Die Entwickler hatten eine Woche Zeit, den Entwurf zu planen.

• Das Entwicklerteam B hatte eine anspruchsvollere Ladeschaltung zu entwerfen. Diese Schaltung sollte eine Versorgung von 5 V über einen USB-Anschluss haben und damit einen einzelligen Li-Ionen-Akku mit 1,3 A auf eine Spannung von 4,1 V pro Zelle laden. Bei einer Temperatur über 47°C sollte die Ladespannung auf 4 V pro Zelle bei 0,5 A gesenkt und oberhalb einer Temperatur von 72 °C sollte der Ladevorgang abgebrochen werden. Der Mikrocontroller im System sollte die Spannung, den Strom, die Temperatur und den Batteriezustand überwachen. Die Entwickler hatten ebenfalls eine Woche Zeit, die Schaltung zu entwerfen.

Es zeigte sich, dass beide Entwicklerteams den gleichen Batterielade-IC benutzen können und dass dieser Baustein die wohl beste Wahl für beide Applikationen ist.

Smarte Regler und kleine Gehäuse

Der abwärts wandelnde, monolithische Laderegler LTC4162 (35 V/3,2 A) verbindet Einfachheit und Vielseitigkeit. Da er sowohl unabhängig als auch zusammen mit einem Mikrocontroller funktioniert, lassen sich einfache und komplexe Lösungen realisieren. Mit einem vollständigen Telemetriesystem, das über die I²C-Schnittstelle angesprochen wird, kann der Anwender den Akku optional überwachen und spezifische Ladeparameter abhängig von der Batterieart implementieren.

Das Ladegerät kann mit jeder hochohmigen Quelle, beispielsweise einer Solarzelle, betrieben werden, da ein echter MPPT-Algorithmus (maximum power point tracking) implementiert ist. Der Ladealgorithmus ist auf die ausgewählte Batterieart abgestimmt: Li-Ionen-, LiFePO₄- oder Blei-Akku. Diese Funktionen sind in einem 4 mm x 5 mm großen QFN-Gehäuse untergebracht, womit die Maße der Gesamtlösung 10 mm x 20 mm betragen.

Die Kraft in der kleinen Größe

Lassen Sie sich nicht von der kleinen Größe täuschen. Selbst mit integrierten Schalt-FETs kann der LTC4162 über 60 W Ladeleistung liefern. Mithilfe der eingebauten Temperaturüberwachung regelt der Chip den Ladestrom, so dass dieser, selbst in den heißesten Umgebungen und kleinsten Gehäusen, niemals zu Überhitzung führt.

Die PowerPath-FETs (INFET und BATFET) stellen sicher, dass die Systemlast (U_out) immer von der Eingangsspannung (U_in) versorgt wird, wenn diese vorhanden ist, oder, wenn sie nicht verfügbar ist, vom Akku. Der Einsatz von externen N-Kanal-FETs ermöglicht verlustarme Pfade ohne Stromstärkenbegrenzung im Verbraucher.

Temperaturgeregeltes Laden nach dem JEITA-Standard

Der LTC4162 erlaubt ein kundenspezifisch temperaturabhängiges Laden (Bild 2). Lithium-Akkus (Li-Ionen und LiFePO₄) werden temperaturgeregelt nach dem JEITA-Standard (Japan Electronics and Information Technology Industries Association) geladen. Der JEITA-Standard, die de-facto Industrienorm für die Temperaturüberwachung beim Laden von Akkus, gibt Richtwerte für einige Temperaturen vor, bei denen die Ladespannung oder der Ladestrom reduziert wird. Aus diesem Grund können anwenderseitig benutzerdefinierte Temperaturbereiche eingestellt werden, in denen der Akku mit definierten Strömen und Spannungen geladen wird.

So können Sie die unteren (kalten) und oberen (heißen) Grenztemperaturen festlegen, bei denen der Akku nicht mehr geladen werden soll. Die Standardeinstellungen von JEITA sind ohne Host-Prozessor für viele Akkus nutzbar. Deshalb kann der LTC4162 auch mit dem Temperaturprofil jeder beliebigen Batterie arbeiten.

Telemetrie und Regelung

Obwohl der LTC4162 ohne Host-Controller funktioniert, können Sie den Ladevorgang über die I²C-Schnittstelle überwachen und regeln. Das Telemetriesystem auf dem Chip liest die System- und Batteriespannungen sowie -ströme in Echtzeit aus (Bild 3). Verschiedene Grenzwerte und Warnungen lassen sich einstellen, die den Host-Controller benachrichtigen, wenn ein Messwert den konfigurierten Schwellenwert erreicht oder wenn ein bestimmter Ladezustand eintritt. So kann beispielsweise eine allgemeine Anforderung der Übergang in einen Low-Power-Modus sein, wenn die Batteriespannung unter einen bestimmten unteren Grenzwert absinkt.

Statt einen Mikrocontroller zu nutzen, der die Batteriespannung kontinuierlich abfragt, übernimmt der Chip die Überwachung selbst und informiert den Host-Controller, wenn der Grenzwert erreicht ist. An diesem Punkt kann der Host die Hauptlast abschalten und in einen Strom sparenden Modus übergehen.

Das Telemetriesystem misst auch den Serienwiderstand der Batterie (BSR), der als Richtwert für den Batteriezustand dient. Die BSR-Messung können Sie so einstellen, dass sie automatisch erfolgt und eine Warnung ausgibt, mit der der Host-Controller informiert wird, dass ein definierter oberer BSR-Grenzwert überschritten wurde. Zu diesem Zeitpunkt kann der Host dem Anwender signalisieren, dass die Batterie ausgetauscht werden muss.

Wenn die Eingangsversorgung wegfällt und das System von der Batterie gespeist wird, schaltet der Chip das Telemetriesystem automatisch ab und verlängert so die Batteriebetriebszeit. Wenn eine Messung erforderlich ist, kann das Telemetriesystem über einen Befehl an der I²C-Schnittstelle wieder aktiviert werden. Zu diesem Zeitpunkt geht das Messsystem in einen Low-Power-Modus über, in dem alle fünf Sekunden Messungen ausgeführt werden. Die Messung kann auf Wunsch jederzeit auch auf schnelle Messungen alle 11 ms eingestellt werden (Bild 4).

Auch bei Blei-Akkus (Bild 5) senkt der Algorithmus zur Temperaturkompensation die Spannung in jedem Ladezustand linear mit steigender Temperatur. Diese Spannungen können mit Befehlen über die I²C-Schnittstelle angeglichen werden und die Kompensationsflanke kann durch einfaches Wechseln des Thermistors geändert werden.

MPPT und Eingangsregelung

Der Einfachheit halber stellen viele Regelkreise für Solarmodule die Spannung des maximalen Leistungspunkts auf einen konstanten Wert ein (Bild 6). In der Realität driftet U_MPP jedoch mit der Beleuchtung und eine teilweise abgeschattete Solarzelle kann mehrere Leistungsspitzen aufweisen. Beim Durchstimmen des gesamten Spannungsbereichs des mit der Stromversorgung verbundenen Solarmoduls berechnet der MPPT-Algorithmus sämtliche Variablen und stellt immer auf den maximalen Leistungspunkt ein.

Zusätzlich variiert die Eingangsregelspannung des Chips abhängig auch von geringfügigen Änderungen von U_MPP. Diese Funktionen müssen nicht vom Anwender programmiert werden, so dass die Solarzellen ausgewechselt werden können, ohne die Ladeschaltung zu modifizieren.

Die Vorteile der Eingangsregelung gehen über Solarzellen als Stromquellen hinaus. Viele USB-Schnittstellen haben beispielsweise eine beträchtliche Reihenimpedanz, was bei Stromaufnahme zu Spannungseinbrüchen am Eingang führt. Die Unterspannungs-Strombegrenzung des LTC4162 regelt diesen Strom so, dass eine minimale Spannung am Eingang erhalten bleibt.

Stromversorgung über USB PD

Der LTC4162 ist kompatibel mit USB PD (power delivery), wodurch bis zu 100 W über einen USB-Steckverbinder vom Typ C bezogen werden können. Die Eingangsstrombegrenzung kann so konfiguriert werden, dass das Eingangs-Netzteil dabei nicht überlastet wird.

Wird die Eingangsstromgrenze erreicht, kann die Systemlast immer noch soviel Strom vom Eingang beziehen, wie sie benötigt, aber der Batterieladestrom wird so reduziert, dass die Eingangsstromgrenze nicht überschritten wird. Für USB PD bedeutet dies, dass ein Chip über unterschiedliche Netzteilprofile versorgt werden kann.

Auslieferungsmodus mit geringem Energieverbrauch

Wird ein Produkt ausgeliefert oder für eine längere Zeit auf Lager gelegt, kann der Chip über einen Befehl über die I²C-Schnittstelle in einen Low-Power-Modus versetzt werden, der den Strom, der aus dem Akku gezogen wird, auf rund 3,5 µA reduziert. Zusätzlich kann die Schaltung so konfiguriert werden, dass sie während dieser Zeit Leistung von der Systemlast abschaltet.

Um die Entwicklung und Dokumentation zu vereinfachen, ist der LTC4162 in verschiedene Varianten unterteilt, die auf der chemischen Zusammensetzung des Akkus und den Ladeparametern basieren. Berücksichtigt wird ebenfalls, ob MPPT als Standard aktiviert ist oder nicht.

Unser Fazit

Sie können den Tag damit verbringen, die Datenblätter unterschiedlicher Batterieladeregler, Leistungsüberwachungs-ICs und Solarzellenregler zu durchforsten. Sie können stundenlang Code für einen benutzerdefinierten temperaturabhängigen Ladealgorithmus schreiben und manuell Messungen ausführen, um zu prüfen, wann Grenzwerte überschritten werden. Sie können aber auch zu einem Batterieladeregler greifen, der viele Standard-Funktionen implementiert und sich eine Menge Zeit sparen. Ich freue mich auf Ihr Feedback.

* Zachary Pantely arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in San Jose, U.S.A.

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