Die größte Herausforderung für Entwickler neuer Batteriechemien und Ladealgorithmen besteht darin, ein entsprechendes ASIC-Design (Application-Specific Integrated Circuit) zu finden. Ohne Halbleitertechnik haben neue Batterien und Ladealgorithmen keine Chance, Kunden zu gewinnen – und ohne Kunden – oder zumindest potenzielle Kunden – lassen sich ASIC-Hersteller nicht dazu verleiten, Entwicklungsgelder für das Design eines ASICs auszugeben. Es ist das klassische Henne-Ei-Problem. Infolgedessen erblicken viele Batteriechemien und Ladealgorithmen nie das Licht der Welt.

Blockdiagramm des PIC16F18446 von Microchip

Bild 1: Blockdiagramm des PIC16F18446 von Microchip mit hochauflösender Intelligent-Analog-Peripherie wie einem integrierten 12-Bit-ADC2. Microchip

Aktuelle Mikrocontroller (MCUs) mit intelligenten integrierten Analog-Funktionen, wie der PIC16F18446, bieten jedoch eine Alternative zu diesem ASIC-Dilemma. Diese MCUs bieten eine Vielzahl von Analog-und Mixed-Signal-Peripherie wie Spannungskomparatoren, Operationsverstärker, Analog-Digital-Wandler (ADCs), Digital-Analog-Wandler (DACs), Spannungsreferenzen, Rampengeneratoren, digitale PWM (Pulsweitenmodulation) und sogar Logikblöcke. Mit diesen Blöcken macht es dann Sinn, ein intelligentes Ladegerät zu bauen, um die neue Batterie oder den neuen Algorithmus zu präsentieren.

Intelligentes Ladegerät mit einer MCU umsetzen

Als Beispiel dient ein einfaches Ladegerät, das zuerst Konstantstrom lädt und dann auf Konstantspannung umschaltet wie etwa ein Standard-LiPoly(Lithium-Polymer)-Ladeprofil. Nun ergibt sich die Möglichkeit, entweder ein DC-System oder einen Schaltmodus zu nutzen. In einem DC-System ist also eine Stromquelle, eine Spannungsquelle und ein Schalter notwendig, um von einem zum anderen Ladevorgang überzugehen. Bild 1 zeigt links eine klassische Stromquelle und rechts eine Spannungsquelle.

Bild 2: Beispiel einer klassischen Strom- und Spannungsquelle.

Bild 2: Beispiel einer klassischen Strom- und Spannungsquelle. Microchip

Bei genauerer Ansicht lässt sich erkennen, dass die beiden ziemlich gleich sind. Der einzige Unterschied ist der invertierende Eingang zum Operationsverstärker und der Wert aus dem DAC. Wird ein Komparator an die Batteriespannung angelegt und ein Interrupt erzeugt, sobald die Batteriespannung 4,1 V überschreitet (Bild 2), dann muss die Firmware lediglich die Einstellung für den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ändern und einen neuen Wert in den DAC laden.

Manchmal ist es jedoch nicht so einfach: Das Ladegerät könnte gepulst sein oder aus Effizienzgründen ist ein Schaltladegerät erforderlich. Was das Pulsen der Ladespannung / des Ladestroms betrifft, so hat die Operationsverstärker-Peripherie (OPV) ein Enable-Bit in ihrem Steuerregister, sodass zum Pulsen nur ein periodisches Interrupt erforderlich ist, um den OPV ein- und auszuschalten. Die Integration eines Schaltwandlers ist etwas aufwendiger, lässt sich jedoch mit On-Chip-Peripherie umsetzen (Bild 3).

Bild 3: Beispiel eines Batteriespannungsschalters.

Bild 3: Beispiel eines Batteriespannungsschalters. Microchip

Die dargestellte Schaltung ist eine Schaltspannungsquelle. Um sie in eine Schaltstromquelle umzuwandeln, muss der Entwickler einfach die Ausgangsrückkopplung von der Batterie in einen Strommesswiderstand zwischen Batterie und Masse ändern. Zu beachten ist, dass wahrscheinlich auch die Kompensationsschleife geändert werden muss – aber selbst dies kann über zwei Netzwerke und eine einfache Firmware-Routine erfolgen. Damit erfolgt die Änderung, welcher Eingang den invertierenden Eingang ansteuert. Sogar der Schalter lässt sich auf ähnliche Weise wie der Gleichstromkreis pulsen, indem der Timer und der Operationsverstärker im Schalter ausgeschaltet werden.

Eine Kombination aus Firmware und Peripherie kann somit nahezu jede Ladefunktion umsetzen:

  • Konstantstrom
  • Konstante Spannung
  • Gepulster Strom
  • Gepulste Spannung

Das Hinzufügen zusätzlicher Funktionen, Optionen, Algorithmus-Anpassungen, Überwachungsfunktionen oder sogar Not-Aus-Funktionen zu einem Design ist ebenso einfach, wie Firmware-Änderungen vorzunehmen.

MCU statt ASIC

Mit diesen neuen MCUs können Entwickler von Akkus und Ladegeräten Proof-of-Concept-Ladegeräte entwickeln, die sie ihren Kunden vorführen können. Für kleine bis mittlere Serien lassen sich die MCUs vorprogrammieren, mit einer eindeutigen Artikelnummer versehen und direkt an den Kunden ausliefern, sodass sich der Baustein genau wie ein ASIC für kundenspezifische Ladegeräte verhält.

Bild 4: Beispiel eines Switch-Mode-Boost-Wandlers (Schaltnetzteil).

Bild 4: Beispiel eines Switch-Mode-Boost-Wandlers (Schaltnetzteil). Microchip

Ein weiterer Punkt, der zu berücksichtigen ist, ist der Wunsch einiger Kunden, mehrere Power-Management-Funktionen in einem einzigen System zu kombinieren. Diese Systeme können Ladegeräte, Treiber für die Hintergrundbeleuchtung, Lüftersteuerungen und sogar die Akkustandanzeige in einem einzigen Chip enthalten. Durch die anfängliche Entwicklung eines MCU-basierten Designs können Entwickler neuer Akkus und Ladegeräte die Akzeptanz in der Branche weiter steigern, indem sie ihr geistiges Eigentum entweder an den Kunden oder Dritte lizenzieren, um den erforderlichen „Verbund“-Stromversorgungs-IC zu entwerfen. Kunden können dann die Vorteile der Vorprogrammierung und Kennzeichnung von Artikelnummern nutzen, um ihr Design vor Wettbewerbern zu verbergen, bis es ausreichende Serienstückzahlen erreicht hat, um dann die Herstellung ihres eigenen Verbund-ASIC-Designs zu rechtfertigen.