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Ladezustandsanzeigen: Wie Sie die richtige Strommess-Methode auswählen

| Autor / Redakteur: Nazzareno Rossetti und Bakul Damle* / Richard Oed

Bild 1: Mobile Geräte sind eine Herausforderung für die Elektronik hinsichtlich Größe und Akkulaufzeit.
Bild 1: Mobile Geräte sind eine Herausforderung für die Elektronik hinsichtlich Größe und Akkulaufzeit. (Bild: Shutterstock / Peppinuzzo)

Wie genau ein Ladezustandsmesser ist, hängt von der Präzision der Messung der Batterieströme ab. Wir stellen zwei widerstandsbasierte Strommessverfahren in einem hostseitigen Batteriesystem und die Möglichkeiten der WLP-Technik vor.

Die Ladezustandsmessung ist das Herzstück jedes Batteriemanagementsystems und somit eine wichtige Komponente in Mobil- und IoT-Anwendungen (Bild 1). Bei einem hostseitigen System zur Batterieladezustandsbestimmung befindet sich der Ladezustandsmesser nicht in der Batterie, sondern ist Bestandteil der Anwendungsschaltung. Dadurch wird die Batterie kostengünstiger und kann einfacher ersetzt werden.

Zusätzlich zu einer langen Betriebsdauer der Batterie ist bei der Auswahl eines Ladezustandsmessers die genaue Anzeige ein wesentliches Kriterium. Diese hängt größtenteils von der Fähigkeit des Ladezustandsmessers ab, den Strom, der zur oder aus der Batterie fließt, zu erfassen und präzise zu messen. In diesem Beitrag beschreiben wir zwei weitverbreitete Möglichkeiten zur widerstandsbasierten Strommessung in einem hostseitigen Batteriesystem (Bild 2) und zeigen dem Systementwickler eine Lösung für seine Anwendung auf.

Low-Side-Strommessung

Eine Low-Side-Strommessung, bei der der Messwiderstand in der Masseleitung liegt, ist einfach zu realisieren, da die Spannung des Strommesswiderstandes gegenüber der Chip-Masse gemessen werden kann. Sie führt aber dazu, dass die Batterie-Masse und die System-Masse unterschiedlich sind. Die Messung der Batterietemperatur über den in der Batterie eingebauten Thermistor erfordert daher eine komplexere differentielle Signalverarbeitung der VTHERM-Spannung.

High-Side-Strommessung

Die High-Side-Strommessung hat den Vorteil, dass die Batterie direkt an der System-Masse hängt. Die Strommessung erfolgt dabei durch einen Widerstand in der Plus-Leitung der Batterie. Bei dieser High-Side-Strommessung (Bild 4) muss der IC die Messung über eine integrierte Differenzverstärkerschaltung ausführen. Einige Ladegeräte erfassen den Batteriestrom bereits über einen externen Widerstand, der auch mit der Ladezustandsmessung geteilt werden kann. Die High-Side-Strommessung ist ein Muss in Anwendungen mit durchgehender Masse, da die Low-Side-Strommessung wegen unterschiedlichen Massepotentialen dort nicht anwendbar ist.

Strommessungen auf High- und Low-Side

Bild 5 zeigt ein Beispiel eines Ultra-Low-Power-Ladezustandsanzeige-ICs, der einzellige Batterien überwacht und sowohl die High-Side- als auch die Low-Side-Stromerfassung ermöglicht. Der Vorteil, wenn beide Messverfahren unterstützt werden, ist, dass für verschiedene Anwendungen nur ein einziges Bauelement vorgehalten werden muss.

Mit WLP zum integrierten Messwiderstand

Mittels Wafer-Level-Packaging (WLP) kann der High-Side-Messwiderstand in den Ladezustandsanzeige-IC integriert werden, um einen geringen Platzbedarf und Bauteileaufwand zu erzielen (Bild 6).

Der im MAX17262 integrierte Widerstand RSNS mit 7 mΩ (Bild 7) wurde sorgfältig mit einem Kupfer-Redistribution-Layer (RDL) auf der Oberseite des Siliziums aufgebracht. Der Gesamtwiderstand RINS in der Anwendung beträgt 10 mΩ, er beinhaltet auch parasitäre Elemente (Rp). Die Strommessung im integrierten Schaltkreis erfolgt nach dem Vierleiterprinzip direkt an RSNS und ist dadurch sehr präzise. Der Beispiel-IC misst Ströme bis zu 1,7 A Dauerstrom beziehungsweise 3,1 A Spitzenstrom.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Merkmale und Anwendungsbereiche der Ladezustandsanzeige-IC-Familie von Maxim, die solche flexiblen Strommessungen unterstützt. Zum Einsatz kommt die Low-Side-Strommessung mehrzelliger Batterien in erster Linie bei Anwendungen wie Tablets, Drohnen und abnehmbaren Displays. Die High-Side- und Low-Side-Strommessung ein- und mehrzelliger Batterien dagegen bei Lautsprechern, Drohnen, Elektrowerkzeugen, Notstromversorgungen, Scheinwerfern oder Taschenlampen.

Fazit: Die Genauigkeit eines Ladezustandsmessers hängt größtenteils davon ab, ob er in der Lage ist, die Batterieströme zu erfassen und präzise zu messen. In einem hostseitigen Batteriesystem kommen meist zwei widerstandsbasierte Messmethoden zum Einsatz: die Low-Side- und die High-Side-Messung. Wird bei Letzterer der benötigte Messwiderstand mittels WLP-Technologie bereits auf dem Schaltkreis integriert, reduziert sich zudem der Platz- und Bauteileaufwand. Dies alles bietet eine IC-Familie für die Ladezustandsanzeige, die viele Anwendungen abdeckt, indem sie die bestmögliche widerstandsbasierte Strommessung für die jeweilige Applikation bietet.

* Nazzareno Rossetti ist Experte für Analogtechnik und Power-Management bei Maxim Integrated in San Jose / USA.

* Bakul Damle ist Business Director im Bereich Batterie-Management in der Mobile Group bei Maxim Integrated in San Jose / USA.

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