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Unkomplizierte Lade-ICs für Batterien beliebigen Typs: Ausgabe 17/2019, 23.10.2019

Unterstützung einer Vielzahl von Ladeströmen

Zu den grösseren Herausforderungen, mit denen sich Designer am Beginn der Entwicklung einer Ladelösung konfrontiert sehen, gehört die Vielzahl der Eingangsquellen in Kombination mit der breiten Palette möglicher Batterien sowie der unterschiedlichen Spannungen und Ströme der zu ladenden Batterien. Die Single-Chip-Ladelösungen LTC4162 und LTC4015 schaffen Abhilfe.

Autor: Steve Knoth, Senior Product Marketing Engineer in der Power by Linear Group von Analog Devices, Text und Bilder

Bei den Eingangsquellen gibt es eine enorme Vielfalt. Zu den komplizierten Quellen im Zusammenhang mit Batterieladesystemen gehören Steckernetzteile höherer Leistung für Spannungen von 5 bis 19 V oder mehr, gleichgerichtete 24-VAC-Systeme, hochohmige Solarpanels sowie Batterien für Autos, Geländewagen und Lkw. Die Kombination der in diesen Systemen vorkommenden Batteriesysteme (Li-Ion, Li-Polymer, Lithium-EisenPhosphat und Blei-Säure) vergrössert die Zahl der Permutationen zusätzlich, was das Design zu einer noch schwierigeren Aufgabe macht.
Bedingt durch die Komplexität des IC-Designs beschränken sich die existierenden Batterielade-ICs hauptsächlich auf Tiefsetzsteller (Buck Converters) oder komplexere SEPICTopologien. Nimmt man noch die Ladelösungen für Solarsysteme hinzu, so entsteht eine Vielzahl weiterer Komplexitäten. Schliesslich eignen sich einige bestehende Ladelösungen für mehrere Batteriechemien – manche davon mit eingebauter Ladeende-Erkennung. Bislang gibt es aber dennoch keinen Lade-IC, der die notwendigen Performance-Eigenschaften für alle genannten Probleme bieten kann.

Innovative, reichhaltig ausgestattete Kompakt-Ladegeräte
Eine IC-basierte Tiefsetz-Ladelösung, die die aufgezählten Probleme lösen kann, müsste die folgenden Eigenschaften mitbringen:
■ grosser Eingangsspannungsbereich
■ grosser Ausgangsspannungsbereich, um für mehrere Batteriesätze geeignet zu sein
■ Flexibilität zum Laden unterschiedlicher Batteriechemien
■ einfacher, autonomer Betrieb mit eingebauten Algorithmen zur Bestimmung des Ladeendes (ohne Mikroprozessor)
■ hoher Ladestrom für kurze Ladezeiten und für grosse Batterien mit grosser Kapazität
■ Eignung für Solarsysteme
■ fortschrittliches Gehäuse zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften und der Platzeffizienz
Analog Devices bietet mit den Tiefsetz-Akkuladern LTC4162 und LTC4015 Single-Chip-Ladelösungen auf Tiefsetzsteller-Basis an, die eine Vielzahl von Ladeströmen unterstützen und eine reichhaltige Ausstattung bieten.

Der Akkulader LTC4162
Der LTC4162 ist ein hochintegrierter, für hohe Spannungen und mehrere Batteriechemien geeigneter, synchroner monolithischer Akkulader und PowerPath-Manager mit eingebauten Telemetriefunktionen und optionalem Maximum Power Point Tracking (MPPT). Auf effiziente Weise transferiert der Baustein Leistung aus einer Vielzahl von Eingangsquellen an Li-Ion-, Li-Polymer, LiFePO4- oder Blei-Säure-Batterien, wobei dem System eine Spannung von bis zu 35 V zur Verfügung gestellt wird. Der Baustein wartet zusätzlich mit Systemüberwachungsfunktionen, PowerPathManagement und einer Batteriezustandsüberwachung auf.
Während für die Nutzung der besonders anspruchsvollen Features des LTC4162 ein Host-Mikrocontroller benötigt wird, ist die Nutzung des I²C-Ports optional. Die wichtigsten Ladeparameter des Bausteins lassen sich durch die äussere Beschaltung der Pins einstellen und durch Widerstände programmieren. Der LTC4162 bietet bis 3,2 A eine ±5 % genaue Ladestromregelung, eine ±0,75 % genaue Regelung der Ladespannung sowie einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 35 V. Zu den Anwendungen gehören tragbare medizinische Instrumente, USB-C-Geräte mit USB Power Delivery, militärische Ausrüstungen, industrielle Handheld-Geräte sowie robuste Notebook- und Tablet-Computer.

Ladespannung und -strom lassen sich individuell anpassen
Der LTC4162 (Bild 1) enthält einen präzisen 16-Bit-A/D-Wandler, der auf Befehl zahlreiche Systemparameter kontinuierlich überwacht. Sämtliche Systemparameter lassen sich über die zweiadrige I²C-Schnittstelle überwachen, wobei programmierbare und maskierbare Alarme dafür sorgen, dass Interrupts nur von wirklich relevanten Informationen ausgelöst werden. Der aktive MPPT-Algorithmus des Bausteins durchläuft eine eingangsseitige Unterspannungs-Regelschleife und stellt den Betriebspunkt so ein, dass ein Maximum an Leistung aus Solarpanels und anderen resistiven Energiequellen entnommen werden kann. Die eingebaute PowerPath-Topologie des Chips entkoppelt ferner die Ausgangsspannung von der Batterie, so dass ein portables Gerät umgehend eingeschaltet werden kann, sobald bei sehr niedriger Batteriespannung eine Ladequelle angeschlossen wird.
Ladespannung und Ladestrom lassen sich entsprechend der Batterietemperatur automatisch gemäss JEITA-Richtlinien oder individuell anpassen. Im Fall von Blei-Säure-Batterien variiert eine kontinuierliche Temperaturkurve automatisch die Batteriespannung gemäss der Umgebungstemperatur. Bei allen Batteriechemien kann optional die Sperrschicht-Temperaturregelung aktiviert werden, um eine übermässige Wärmeentwicklung in Anwendungen mit beschränkten Platzverhältnissen oder in thermisch anspruchsvollen Applikationen zu verhindern. Die Ladeeffizienz mit Li-IonAkkus ist aus Bild 2 zu entnehmen.

Anwender kann zwischen diversen Ladeprofilen wechseln
Die Architektur des LTC4015 ist für die Kombination mit externen Leistungs-FETs gedacht, um höhere Ladeströme zu ermöglichen. Je nach den gewählten externen Bauelementen sind bis zu 20 A oder mehr möglich. Neben einem präzisen 14-Bit-A/D-Wandler enthält der LTC4015 auch einen hochgenauen Coulomb-Zähler. Der ADC überwacht kontinuierlich mehrere Systemparameter wie etwa die Eingangsspannung, den Eingangsstrom, die Batteriespannung und den Batteriestrom und meldet auf Anforderung die Batterietemperatur und den Innenwiderstand der Batterie.
Der Anwender kann mithilfe entsprechender Konfigurations-Pins zwischen mehreren vordefinierten Ladeprofilen für die einzelnen Batteriechemien sowie zwischen verschiedenen Algorithmen wechseln, deren Parameter sich per I²C variieren lassen. Die Ladespannung und der Ladestrom können gemäss der jeweiligen Batterietemperatur automatisch entsprechend den JEITA-Richtlinien oder individuell angepasst werden. Die Ladeeffizienz mit Blei-Säure-Batterien zeigt Bild 3.

Platzersparnis, Flexibilität und höhere Leistung
Bei gleicher Leistung (z.B. 3 A Ladestrom) kann der LTC4162 gegenüber dem LTC4015 etwa 50 % Leiterplattenfläche einsparen, weil es sich bei ihm um einen monolithischen Baustein mit integrierten Leistungs-MOSFETs handelt. Da die Feature-Ausstattung beider Produkte ähnlich ist, sollte der LTC4015 gewählt werden, wenn die Ausgangsströme zwischen 3,2 und 20 A oder darüber liegen. Keine der anderen von der Industrie angebotenen IC-Ladelösungen bietet laut Anbieter einen vergleichbaren Integrationsgrad oder kann mit der gleichen Leistung aufwarten. Jene, die den Ladestrom (2 oder 3 A) erreichen, sind auf eine einzige Batteriechemie (Li-Ion) beschränkt oder unterstützen nur eine begrenzte Ladespannung (max. 13 V). Konkurrenzprodukte bieten somit gemäss Analog Devices weder die Leistung noch die Flexibilität des LTC4162 oder des LTC4015. Berücksichtigt man ausserdem die Zahl der Bauelemente, die die nächste konkurrierende monolithische Batterieladelösung benötigt, so ergibt der LTC4162 eine bis zu 40-prozentige Verringerung der Leiterplattenfläche, was seine Attraktivität weiter steigert.

Infoservice
Analog Devices GmbH
Otl-Aicher-Strasse 60–64, DE-80807 München
Tel. 0049 89 769 030, Fax 0049 89 769 031 07
steve.knoth@analog.com, www.analog.com



Bild 1: Typische Anwendungsschaltung für den LTC4162-L


Bild 2: Li-Ion-Ladeeffizienz als Funktion der Eingangsspannung für verschiedene Zellenanzahlen


Bild 3: Ladeeffizienz des LTC4015 mit Blei-Säure-Batterien