Portable Power

Die Verbreitung tragbarer Geräte in den letzten Jahren machte
entsprechend kleine, aber leistungsfähige Batterien und dazugehörende
Ladebausteine erforderlich.

Autor: Matt Schindler, Maxim

Die Batterietechnologie hat sich rasant weiterentwickelt; wiederaufladbare Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien mauserten sich zu populären Batterietypen.
Dementsprechend konzentrierten sich Entwickler von Halbleiterunternehmen auf dazu passende Ladebausteine, um die bestmögliche Leistung aus diesen Batterietypen herauszuholen. Inzwischen haben die Ladeschaltkreise mit der Batterietechnologie Schritt gehalten und ermöglichen die weitest gehende Ausnutzung der vollen Batteriekapazität.
In Notebook-Computern, wo Größe, Gewicht und die Batterielebensdauer kritische Parameter sind, ist inzwischen die Lithium-Ionen-Batterie zum Standard geworden. Der jüngste Spross der Lithium-Ionen-Chemie arbeitet mit Polymeren, die es erlauben, auch komplizierte Bauformen für Batterien herzustellen. Lithium-Polymer-Typen sollten gerade in Mobiltelefonen, tragbaren Computern und anderen kleinen Geräten in Kürze recht populär werden. Weil die Lithium-Ionen- und die Lithium-Polymer-Chemie sich recht ähnlich sind, sind auch die Ladeverfahren für die beiden nahezu identisch. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen nur in der Ladeschlussspannung und im Ladestrom.

Traditionelle Lademethode
Die traditionelle Lademethode bei Lithium-Ionen-Batterien zeichnet sich durch einen Konstantstrom und eine Konstantspannung aus. Zu Beginn eines kompletten Ladezyklus und somit bei niedriger Batteriespannung wird der Konstantstrom angelegt. Sobald die Batteriespannung einen spezifizierten Grenzwert erreicht, schaltet der Ladebaustein auf eine Konstantspannung um und verbleibt in dieser Betriebsart, bis der Ladestrom auf nahezu Null abgesunken ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Batterie dann voll aufgeladen. Während der Konstantspannungsphase fällt der Strom (wegen der Summe aus Innenwiderstand der Batterie und jeglichen Widerständen, die in Serie mit der Batterie geschaltet sind) exponentiell ab ? vergleichbar dem Strom in einen Kondensator, der über einen Widerstand aufgeladen wird. Weil der Strom exponentiell fällt, dauert ein ganzer Ladezyklus recht lange.
Der Grenzwert für den Ladestrom muss nicht so genau sein wie der Grenzwert für die Ladespannung, denn nur letzterer ist kritisch: höhere Spannungen ermöglichen es zwar der Batterie, mehr Energie zu speichern, aber eine überhöhte Spannung zerstört die Batterie. Daher arbeiten Lithium-Ionen-Lader üblicherweise mit einem Grenzwert für die Ladespannung, der besser als ein Prozent genau ist.
Selbst wenn mit einem hohen Konstantstrom von ungefähr 1 C geladen wird (wobei mit C die Batteriekapazität in Amperestunden angegeben wird), ist die Ladezeit mit Konstantstrom klein gegenüber der Gesamtladezeit. Die Betriebsart mit Konstantspannung, deren Beginn im Wesentlichen durch die physikalischen Eigenschaften der Batterie bestimmt wird, herrscht während dem größten Teil der Gesamtladezeit vor. Daher hat eine Erhöhung des Ladestroms nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtladezeit.
Ein Batterielader mit Linearbetrieb stellt eine Möglichkeit zum Laden von Lithium-Ionen-Batterien dar (Bild 1). Die Ladespannung bzw. der Ladestrom wird üblicherweise vom Gleichspannungsausgang eines Steckernetzteils bereitgestellt. Der Ladecontroller (IC1) steuert ein externes Stellelement.
Hierbei handelt es sich meist um einen pnp-Transistor, der Ladespannung und
-strom erzeugt. Ein kleiner PIC-Controller in dieser Schaltung (IC2) regelt Ladespannung und -strom mittels pulsbreitenmodulierter Ausgänge. Durch Verändern von Ladespannung und -strom kann die Ladeschaltung an verschiedene Batterien, auch mit unterschiedlicher Chemie, angepasst werden.
In vielen Systemen können zusätzliche PWM-Ausgänge eines bereits vorhandenen Microcontrollers die Ladeeinheit programmieren. Solange der Batterielader nur einen ganz bestimmten Batterietyp zu laden hat, kann die Schaltung weiter vereinfacht werden, indem Ladespannung und -strom mit externen Widerständen fest eingestellt werden.
Lineare Lader sind relativ klein und einfach im Aufbau, aber die im Linearelement umgesetzte Leistung ist ein Nachteil. Ein Beispiel: die Ausgangsspannung einer typischen Lithium-Ionen-Zelle reicht von 2,7 bis 4,2 V. Um die Batterie auf ihre Endspannung von 4,2 V aufzuladen, muss die Spannungsquelle mindestens 4,5 V bereitstellen. Daher wird der Ausgang eines preiswerten Steckernetzteils mit einer Spannungsgenauigkeit von 10 Prozent eine Ausgangsspannung von 4,5 bis 5,5 V liefern. Die maximale Verlustleistung im pnp-Transistor entsteht bei maximaler Eingangsspannung und minimaler Batteriespannung. Bei einem typischen Ladestrom von 1 A ±10 Prozent beträgt die “Leistungsverschwendung” im Stellelement etwa drei Watt.
Falls diese drei Watt in einem kleinen tragbaren Gerät wie einem Mobiltelefon oder einer Kleinstdatenbank als Verlust anfallen, kann die Temperatur im Gerät bedenklich hoch ansteigen. Hierdurch kann die Elektronik des Geräts beeinflusst werden, was natürlich beim Benutzer nicht erwünscht ist. Die Verlustleistung kann mittels eines externen Batterieladers, untergebracht beispielsweise in einer Ladeschale oder Andockstation, nach außen verlagert werden. Allerdings steht diese Möglichkeit oft nicht zur Verfügung. In diesem Fall bietet ein getakteter Batterielader den gewünschten Wirkungsgrad (Bild 2).
Der Baustein in Bild 2 verwendet zwei externe n-Kanal-MOSFETs, um die Eingangsspannung zu takten. Diese wird anschließend gefiltert, um die benötigte Ladespannung bzw. den Ladestrom zu erzeugen. Diese MOSFET-Transistoren arbeiten als Schalter. Im eingeschalteten Zustand liefern sie den Strom mit einem geringen Spannungsabfall, im ausgeschalteten Zustand fließt überhaupt kein Strom. Diese Arbeitsweise reduziert die Verlustleistung gegenüber einem linearen Lader äußerst wirkungsvoll. Außerdem bleibt die Verlustleistung bei Änderungen der Eingangsspannung, der Batteriespannung und des Ladestroms relativ konstant.
Der Wirkungsgrad der gezeigten Schaltung beträgt mehr als 90 Prozent über ihrem Arbeitsbereich; damit entsteht deutlich weniger Verlustleistung über die weiten Bereiche von Eingangsspannung, Batteriespannung und Ladestrom. Getaktete Ladeschaltungen halten die Verlustleistung somit gering, allerdings entstehen mehr Kosten durch erhöhten Platzbedarf und zusätzliche Bauelemente gegenüber der linearen Lösung.

Neue Lademethode
Eine neue Lademethode für Lithium-Ionen-Batterien (Pulsladen mit Konstantstrom) bietet sowohl die Vorzüge eines linearen Reglers als auch die einer getakteten Schaltung. Der Ladestrom wird begrenzt, indem zum Aufladen ein Steckernetzteil mit Strombegrenzung verwendet wird. Der Strom vom Steckernetzteil wird während der Konstantstromphase der Batterie aufgeschaltet. Sobald die Batteriespannung den oben erwähnten Grenzwert erreicht, wird die Stromquelle ein- und ausgeschaltet. Auf diese Weise wird ein benötigter Durchschnittsstrom an die Batterie geliefert, ohne dass die Batteriespannung überschritten wird. Die Verlustleistung ist niedrig, da der Schalter entweder ein- oder ausgeschaltet ist; also ähnlich wie beim getakteten Lader. Dennoch ist die Schaltung einfach wie ein linear geregelter Regler, weil keine Ausgangsfilter benötigt werden. Die Schaltung mag mehr Verlustleistung aufweisen, solange sie sich in der strombegrenzenden Arbeitsweise befindet (dies hängt vom verwendeten Steckernetzteil ab), aber dies hat wenig Einfluss auf die Batterie oder ihre Last, solange die maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird.
Der p-Kanal-MOSFET ein einer strombegrenzten Ladeschaltung, die mit Steckernetzteil arbeitet (Bild 3), schaltet den Strom vom Netzteil auf die Batterie. Weil der Ladebaustein in einem kleinen µMAX-Gehäuse untergebracht ist und als externer MOSFET ein Typ im SOT-23-Gehäuse eingesetzt werden kann, ist diese Schaltung kleiner und weniger komplex als eine getaktete Ladeeinheit. Ein kompletter Batterielader kann mit nur zwei Kondensatoren und einem Widerstand zusätzlich zum MAX1679 und dem externen MOSFET aufgebaut werden. RADJ, die Leuchtdiode, die Schottkydiode und der Thermistor sind lediglich Optionen, die zusätzlich eingebracht werden können.
Der MAX1679 verfügt über weitere Leistungsmerkmale, die einer Lebenszeitverkürzung der Batterie entgegenwirken. Falls die Batterie zu tief entladen wurde (d. h. die Ausgangsspannung beträgt weniger als 2,5 V pro Zelle), dann kann eine Schnellladung ihre Lebensdauer verkürzen. Der MAX1679 überprüft die Batteriespannung vor dem Ladevorgang. Falls notwendig, wird die Batterie mittels einer internen 5 mA-Stromquelle vorgeladen, um ihre Spannung über 2,5 V anzuheben. Erst dann beginnt der MAX1679 die Ladung mit (hohem) Konstantstrom.
An einem weiteren Anschluss des MAX1679 kann ein Thermistor angeschlossen werden, der die Batterietemperatur erfasst. Das Laden einer Lithium-Ionen-Batterie außerhalb eines bestimmten Temperaturfensters (üblicherweise von 0 bis 50 °C) verkürzt deren Lebenszeit. Falls der MAX1679 eine nicht akzeptable Temperatur ermittelt, verhindert er den Ladevorgang, bis sich die Temperatur wieder innerhalb des erlaubten Bereichs befindet. Zum Anzeigen eines laufenden Ladevorgangs hat der MAX1679 einen “Charge Monitor”-Ausgang, mit dem eine Leuchtdiode direkt getrieben werden kann.

Resümee
Da tragbare Geräte kleiner, aber immer komplexer werden, wird der Entwurf der Ladeschaltung immer wichtiger, um ein Maximum aus der Batterie herauszuholen. Wird die Verlustleistung aus dem Gerät und auch weg von der Batterie gebracht, so wird das Gerät verbessert und die Batterie weniger belastet. Obwohl konventionelle lineare und getaktete Lithium-Ionen-Lader immer noch ihre Berechtigung haben, optimieren Pulslader mit Konstantstrom die Größe und Leistungsfähigkeit von tragbaren Geräten.

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