Li-Ion-Akkus müssen werden in zwei Stufen geladen: mit einem Konstantstrom (CC) und einer -spannung. Solange die Spannung unter dem Wert des voll geladenen Akkus liegt, wird dem Akku ein konstanter Strom eingeprägt. Im CC-Modus wird dieser Strom auf einen von zwei Werten geregelt. Ist die Akkuspannung sehr niedrig, so wird der Ladestrom auf einen Vorbereitungs-Ladestrom reduziert, um die Zelle auf den eigentlichen Ladevorgang vorzubereiten und Beschädigungen zu verhindern. Sobald die Zellenspannung den Schwellenwert der Vorbereitungsladung überschreitet, wird der Ladestrom auf den Wert für den Schnellladevorgang erhöht. . Während des Ladevorgangs steigt die Akkuspannung. Wenn sie die Nennspannung (typisch 4,2 V) erreicht hat, wird der Ladestrom abgesenkt, während die Zellenspannung auf einen konstanten Wert geregelt wird, um ein Überladen zu verhindern. In dieser Betriebsart fällt der Strom ab, während die Zelle geladen wird. Ist der Strom auf einen zuvor festgelegten Wert gesunken (typisch 10 Prozent des Schnellladestroms), so wird der Ladevorgang beendet. Bild 1 zeigt einen typischen Ladezyklus.
Bild 1: Typischer Li-Ion-Ladezyklus.Texas Instruments
Lineare und geschaltete Lösungen im Vergleich
Zum Umwandeln der Adapterspannung in die Zellenspannung sowie zum Steuern der einzelnen Ladephasen gibt es zwei unterschiedliche Topologien: Linearregler und Schaltregler. Beide Topologien haben Vor- und Nachteile hinsichtlich der Größe, des Wirkungsgrades, der Kosten und der elektromagnetischen Abstrahlung . die Folgenden näher beleuchtet werden.
Schaltregler sind in der Regel die beste Wahl, da sie die höchsten Wirkungsgrade erreichen. Ladereglerschaltungen dieser Art benötigen ein Schaltelement, einen Gleichrichter, eine Induktivität sowie Eingangs- und Ausgangskondensatoren. Die Wirkungsgrade dieser Schaltungen bewegen sich je nach Last zwischen 80 und 96 Prozent. Schaltregler beanspruchen in der Regel wegen der Größe der Induktivität mehr Platz und sind im Allgemeinen auch teurer. Überdies erzeugen solche Regler über die Induktivität elektromagnetische Störungen.
In linearen Ladereglern werden Gleichspannungen kostengünstig und mit geringen Störungen als im Schaltregler herabgesetzt. Bei ihnen wird der Ladestrom reguliert, indem der Widerstand des Durchgangselements so gesteuert wird, dass der in den Akku fließende Strom begrenzt wird. Daher ist der Wirkungsgrad dieser Lösung gleich dem Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsspannung. Nachteilig bei der LDO-Lösung ist der niedrige Wirkungsgrad bei einem hohen Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung (d. h. bei entladenem Akku). Für hohe Ladeströme sind LDO-Regler ungeeignet, da die gesamte Leistung vom Durchgangselement als Verlustleistung abgegeben wird.
Welche Topologie sollte man wählen?
Der erste zu untersuchende Parameter ist der Ladestrom. Für Bluetooth-Headsets, die mit Strömen zwischen 25 mA und 150 mA geladen werden, ist ein linearer Laderegler fast immer die beste Lösung. Diese Anwendungen sind im Allgemeinen sehr kompakt aufgebaut und bieten nicht den Platz für die höhere Bauelementezahl eines Schaltreglers. Der verlustleistungsbedingte Temperaturanstieg wegen der sehr geringen Leistungsaufnahme ist hier vernachlässigbar. In Mobiltelefonanwendungen liegen die Ladeströme typisch zwischen 350 und 700 mA. Auch hier ist eine lineare Lösung häufig noch sehr praktikabel. Bei Anwendungen, in denen größere Akkus verwendet werden und der geforderte Ladestrom größer als 1,5 A ist, ist eine geschaltete Lösung schon sinnvoller. Bei 1,5 A wird unter Umständen schon eine beachtliche Verlustwärme freigesetzt.
Auswahl des richtigen ICs
Nach Abschluss der thermischen Analyse und Festlegung der Ladeschaltungstopologie kann man sich an die Auswahl des für die konkrete Anwendung optimalen Regler-ICs machen. In neuen Akkulader-Lösungen sind zahlreiche Funktionen integriert, die zur Optimierung des Gesamtsystems genutzt werden können. Diese werden im Folgenden vorgestellt.
Eingangs-Überspannungsschutz
(mit einem Eingang bzw. zwei Eingängen)
Die USB-Schnittstelle ist heute die gängigste Spannungsquelle für Peripheriegeräte. Die Marktentwicklung hat dazu geführt, dass statt der ursprünglich verwendeten zwei Eingänge (eine Buchse für einen Netzadapter und ein separater USB-Anschluss) praktisch nur noch Lösungen mit einem Eingang verwendet werden, bei denen ein Steckernetzteil mit USB-Anschluss an dasselbe Kabel wie der USB-Eingang angeschlossen wird. Dies bringt für die USB-Schnittstelle zahlreiche Herausforderungen mit sich. Bei den vielen Sekundärmarkt-Adapterlösungen und einem Universal-Steckverbinder muss der Eingang weitaus höheren Spannungen unbeschädigt standhalten. Da der Akkulader ständig an den Eingang angeschlossen ist, ist es sinnvoll, wenn dieser alle nachgelagerten Subsysteme gegen Überspannungen schützen kann. Daher sind zahlreiche Akkulader erhältlich, die Spannungen bis 20 V oder sogar 30 V standhalten.
Da heutzutage zunehmend „grüne“ Spannungsversorgungen (etwa mit Solarzellen) oder kabellose Ladesysteme Marktreife erlangen, wird bei den Anwendungen wieder zur Forderung nach zwei Eingängen übergegangen.
Power-Path-Management
(PPM) und minimale Systemspannung
Beim herkömmlichen Betrieb von Akkuladegeräten wird das System direkt an das Ladegerät angeschlossen, das dann parallel sowohl den Akku lädt als auch das System mit Strom versorgt
Bild 2 : Beispiel für eine traditionelle Topologie.Bilder: Texas Instruments
(Bild 2).
Anschließend wird der in das System fließende Gesamtstrom geregelt, was einige Probleme mit sich bringt. Hierbei sind insbesondere das Einschalten bei niedrigem Akkuladestand, eine Störung der Funktion zum Beenden des Ladevorgangs und ein vorzeitiges Ablaufen des Timers zu nennen. Das Power-Path-Management (Bild 3)
Bild 3: Beispiel für eine Power-Path-Topologie.Texas Instruments
beseitigt diese Probleme, indem der Akkustrom getrennt von dem vom System aufgenommenen Strom überwacht wird.
Minimale Systemspannung
Beim traditionellen Ansatz ist die Systemspannung stets mit der Akkuspannung identisch. Im Falle eines tiefentladenen Akkus laufen die angeschlossenen Systeme daher erst an, wenn sich der Akku auf ein nutzbares Spannungsniveau aufgeladen hat. Beim PPM-Verfahren wird die Systemspannung dagegen getrennt von der Akkuspannung geregelt. Daher ist hier ungeachtet der Akkuspannung eine minimale Systemspannung möglich. Der Laderegler bq25060 bieten lediglich diese Funktion.
Kürzere Ladezeiten
Da der Systemstrom und der Ladestrom getrennt voneinander programmiert werden, kann die volle Leistung des Adapters ungeachtet der Akkukapazität und des Ladestromes genutzt werden. In herkömmlichen Topologien muss der Ausgangsstrom des Ladereglers auf den maximalen Ladestrom für Betriebszustände eingestellt werden, in denen keine Systemlast vorhanden ist. Bei Anliegen einer Systemlast wird der effektive Ladestrom um den Betrag reduziert, den das System vom verfügbaren Strom aufnimmt.
Eingangsspannungsabhängiges dynamisches
Power-Management (VIN-DPM)
Um bei einer Überlastung der Eingangsquelle kurzzeitige Spannungseinbrüche (Brown-outs) zu vermeiden, ist in mehreren Bausteinen ein eingangsspannungsabhängiges dynamisches Power-Management (VIN-DPM) implementiert. Diese Regelschleife setzt den Grenzwert für den Eingangsstrom herab, um ein Einbrechen der Eingangsspannung zu verhindern. Die VIN-DPM-Regelschleife regelt die Eingangsspannung so nach, dass der aus der Quelle aufgenommene Strom maximiert wird. Bild 4
Einbrechen der Eingangsspannung ohne VIN-DPM.Texas Instruments
zeigt die Ergebnisse einer Überlastung des USB-Ports ohne den VIN-DPM-Schutz.
Das VIN-DPM verhindert das Pulsieren, indem es den Eingangsstrom so weit begrenzt, dass die Eingangsspannung nicht einbricht. Bild 5
Eingangsüberlastungsschutz mit VIN-DPM.Texas Instruments
zeigt die Ergebnisse bei Überlastung des USB-Ports.
NTC-Überwachung (einschließlich JEITA)
Die Akkutemperatur muss während des Ladens unbedingt überwacht werden, um Beschädigungen oder sogar das Explodieren des Akkupacks zu verhindern. Diese Überwachung wird üblicherweise mit einem NTC (Heißleiter) bewerkstelligt. Bei vielen Ladereglern ist eine NTC-Überwachungsfunktion im IC integriert. Diese ICs überwachen die Temperatur und unterbrechen den Ladestrom, sobald die Akkutemperatur unsichere Werte erreicht.
Als De-facto-Industrienorm für die Temperaturüberwachung beim Laden von Akkus etabliert sich derzeit der hierfür von der japanischen Standardisierungsorganisation JEITA ausgearbeitete Standard. Dieser Standard gibt Richtwerte für einige mittlere Temperaturen vor, bei denen die Ladespannung oder der Ladestrom reduziert wird, um die Sicherheit im Ladebetrieb zu erhöhen. Dieser JEITA-Standard ist in neueren Laderegler-ICs implement.
Einhaltung der Voraussetzungen für das Laden per USB
Für das Laden über eine USB-Schnittstelle stehen zahlreiche Laderegler-ICs zur Verfügung, bei denen die Stromgrenzwerte gemäß USB100 und USB500 integriert sind. Wenn alle nachgelagerten Schaltungen am Ausgang eines USB-Ladereglers betrieben werden, kann der Entwickler gewährleisten, dass die USB-Stromgrenzwerte nicht überschritten werden.
William Hadden
(sb)
