Ricoh AFE

Analoges Front-End-IC für 4-7 Zellen Li-Ion / Li-Po Akkupacks

Ricoh ist ein Pionier mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Batterieschutz ICs. Das Portfolio wird regelmäßig erweitert und bietet eine breite Palette an Lösungen für eine unterschiedliche Anzahl Zellen und Konfigurationen. Der R5602 ist ein neuer, fortschrittlicher Analog-Front-End (AFE) Schaltkreis, der als Batteriemanagement-IC den Zustand von 4 bis 7 in Reihe geschalteten Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien zuverlässig überwacht.

AFE-ICs führen Zellenmessungen durch, die im Anschluss von einem Mikrocontroller weiterverarbeitet werden und dadurch ein äußerst flexibles und leistungsfähiges Konzept ergeben. Alle Überwachungsparameter werden in den Softwareeinstellungen gespeichert und können schnell und einfach aktualisiert werden. Bei Bedarf können darüber hinaus zusätzliche,  erweiterte System Überwachungsalgorithmen, schnell und flexibel festgelegt werden.

Das AFE bietet einen umfassenden Schutz, indem es den Zustand sowohl einzelner Zellen als auch des gesamten Akkupacks überwacht. Der Mikrocontroller erkennt unsichere oder fehlerhafte Betriebszustände wie Über- und Unterspannung, Übertemperatur, Überstrom, ungleiche Zellladung, den gesamten Ladezustand usw.

Einsatzgebiete des AFEs sind z.B.  Akkupacks für batteriebetriebene Elektrowerkzeuge, Elektrofahrräder, autonome Staubsauger und Rasenmäher, Drohnen und ähnlich geartete Anwendung.

 

High-Side-MOSFETS

Eine integrierte Ladungspumpe treibt die beiden externen High-Side-N-Kanal-MOSFETs an, die wiederum den Lade- und Entladevorgang steuern. Die Verwendung von High-Side-MOSFETs hat erhebliche Vorteile bei der Entwicklung einer Schaltung, sobald die Masse-Pins des AFEs mit den Masse-Pins der anderen ICs der Schaltung verbunden werden. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der Störsicherheit und Messgenauigkeit während der Zellenmessung.

 

Messungen

Die Zellenspannungen werden mit einer hohen Genauigkeit von ±30mV ermittelt. Eine Strommessung erfolgen über einen externen Messwiderstand mit der Möglichkeit, die Ergebnisse mit den Verstärkungseinstellungen x2,5, x10, x20 zu skalieren. Darüber hinaus werden Überstrom- und Kurzschlussereignisse beim Laden und Entladen gemessen und erkannt.

Ein hochpräziser 12-Bit-A/D-Wandler dient zur sequenziellen Messung von Zellenspannungen, Lade- und Entladeströmen sowie externe und integrierte Chip-Temperatursensoren. Die gesamte Messdauer beträgt weniger als 1 ms pro Messung einschließlich der Analog-Digital-Wandlung.

 

Diagramm

Zellenausgleich und Drahtbrucherkennung

Der Chip vergleicht die Zellenspannungen und unterbricht den Lade-/Entladevorgang bei ungleicher Verteilung der Zellenladungen. Eine integrierte Ladungsverteilung mittels Zellenausgleichsschalter und externen Widerständen steuert den Entladestrom zum Anpassung der Zellenspannungen (passive Cell Balancing).

Die interne Verkabelung des gesamten Akkupacks kann während der bestimmungsgemäßen Nutzung aufgrund von Vibration, Schock oder Verschleiß unterbrochen werden. Um dies zu erkennen sind zusätzliche Widerstände und Schalter zur Drahtbrucherkennung integriert.

 

Zufällige Zellverbindung

Die Herstellung eines Batteriepacks erfordert eine gewisse Sorgfalt und Vorsichtsmaßnahmen und setzt normalerweise eine Zellenverbindungsreihenfolge voraus. So sollte das Anlegen einer Spannung an einen Eingang eines nicht mit Strom versorgten Chips unterbleiben um einen Chipausfall zu vermeiden. Der R5602 bietet dafür eine Schutzschaltung, denn solange der Chip-Enable-Pin Low-Potential hat, können die Zellen in beliebiger Reihenfolge verbunden werden ohne den Chip zu beschädigen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, der den Montageprozess vereinfacht, die Sicherheit erhöht und Fehlerquellen während der Herstellung reduziert.

 

Energiemodi

Zur Verlängerung der Batterielebensdauer bietet der R5602 mehrere Energiemodi mit unterschiedlichen Stromverbräuchen an . Der IC schaltet, je nach Batteriezustand, automatisch zwischen Ruhe- und Normalmodus um und verbraucht dabei lediglich 38 µA bzw. 150 µA. Die Ansteuerung des CE Pins bringt den Chip in den Standby-Modus in dem der Stromverbrauch auf 1 µA reduziert wird.

 

Kommunikationsschnittstellen

Ein interner Spannungsregler versorgt den Host-Mikrocontroller mit Strom, vereinfacht das Schaltungsdesign und reduziert den Platz auf der Platine. Die freie Wahl eines Mikrokontrollers wird durch die Verfügbarkeit sowohl einer I2C- als auch einer SPI-Schnittstelle, wahlweise mit oder ohne CRC-Fehlererkennung, unterstützt.

Am INTB-Ausgang ist ein Interrupt-Signal verfügbar so bald ein Fehler oder eine Nicht-Bereit-Bedingung erkannt wird.
Dazu gehören z.B. :

  • zu hohe Temperatur erkannt
  • hochfahren/Initialisierung beendet
  • Niederspannungsreglerausgang
  • CRC-Fehler erkannt
  • ADC-Lesen beendet
  • zu hoher Entladestrom erkannt
  • zu hoher Ladestrom erkannt
  • Kurzschluss erkannt

Der R5602L ist in einem 32-poligen QFN0505-32C-Gehäuse erhältlich. Muster und Evaluierungsboards sind bei autorisierten lokalen Ricoh Vertriebskanälen und Online-Partnern erhältlich.

 

R5602 Eigenschaften:

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