Power-Tipp Anwendungen mit weitem Eingangs- und Batteriespannungsbereich

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Bei Ladegeräten für batteriebetriebene Anwendungen streben die Hersteller einen neuen, einheitlichen Standard an: den USB PD Extended Power Range (EPR). Wird ein entsprechender Lade-Chip mit einem USB-C PD-Controller kombiniert, lassen sich mit wenig Aufwand universelle Ladegeräte entwickeln, die über den USB-C-Anschluss auch das bidirektionale Laden erlauben.

Unnötiger Zeit- und Kostenaufwand entsteht, wenn für verschiedene batteriebetriebene Anwendungen jeweils eigene Ladegeräte entwickelt werden müssen, um unterschiedliche Eingangs- und Batteriespannungen zu berücksichtigen.

Dies gilt sogar innerhalb eines Anwendungssegments wie etwa bei verschiedenen E-Bike-Modellen. Hier streben die Hersteller die Nutzung des neuen Standards USB Power Delivery (PD) namens Extended Power Range (EPR) an, der bis zu 240 W Ausgangsleistung und Eingangsspannungen bis zu 48 V unterstützt.

In den Fahrradakku müsste zu diesem Zweck nur ein spezieller Lade-IC eingebaut werden, aber wenn das Ladegerät nicht nur den gesamten Eingangsbereich von USB PD EPR unterstützen, sondern auch sowohl für 36-V- als auch für 48-V-Batterien geeignet sein soll, muss es einen weiten Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich bieten.

Im Zusammenhang mit USB PD EPR besteht bei Ladegeräten mit weiten U_IN- und U_OUT-Bereich zusätzlich die Möglichkeit des bidirektionalen Betriebs. Während im Forward-Modus der Fahrrad-Akku geladen wird, können im Reverse-Modus andere Verbraucher aus diesem Akku geladen werden, der damit zu einer Art Power Bank wird und einen wichtigen Zusatznutzen bieten kann (Bild 1). Das Ladegerät muss die verschiedenen Spannungskombinationen deshalb sowohl im Forward- als auch im Reverse-Modus unterstützen.

Anwendung in Solarpaneelen

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für Ladegeräte mit weitem Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich sind Solarpaneele, an denen sich unterschiedliche Geräte aufladen lassen (Bild 2). Das Solarpanel sollte dabei stets an seinem Maximum Power Point (MPP) betrieben werden. Hierzu dient ein MPPT-Algorithmus (MPP Tracking), der den MPP bei unterschiedlichen Einstrahlungsbedingungen selbstständig findet. Mit einer Buck-Boost-Ladeschaltung mit weitem Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich lassen sich die daraus resultierenden unterschiedlichen Ausgangsspannungen des Solarpanels hervorragend abdecken.

Der Buck-Boost-Lade-Chip BQ25756 unterstützt am Ein- und Ausgang Spannungen bis zu 70 V und ermöglicht Ladeströme bis zu 20 A, sodass die gemäß USB PD EPR zulässige maximale Leistung von 240 W unterstützt wird. Neben dem weiten Bereich bei Eingangs- (U_IN)- und Ausgangsspannung (U_OUT) unterstützt der Chip auch den bidirektionalen Betrieb. Damit kann ein und derselbe USB-C-Anschluss sowohl zum Laden als auch zur Entnahme elektrischer Energie genutzt werden. Für das Laden aus einem Solarpanel ist ein MPPT-Algorithmus eingebaut, der den Maximum Power Point auch bei Serien- oder Parallelschaltung mehrerer Panels, unterschiedlicher Sonneneinstrahlung und partieller Verschattung findet. Mit diesen weitreichenden Fähigkeiten kommt der Lade-Chip für eine ganze Palette unterschiedlicher Designs in Frage.

Sobald ein Schaltregler einen großen Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen unterstützt, kann er für viele unterschiedliche Anwendungen genutzt werden, sodass sich der Entwicklungsaufwand entscheidend verringert. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass das Design für neue Technologien wie etwa USB-C Power Delivery und die Nutzung von Solarpanels geeignet ist, wovon die Anwender durch kurze Ladezeiten und eine hohe Flexibilität profitieren. Wird ein entsprechend ausgestatteter Lade-Chip mit einem USB-C PD-Controllerbaustein kombiniert, lassen sich mit wenig Aufwand universelle Ladegeräte entwickeln, die über ein und denselben USB-C-Anschluss auch das bidirektionale Laden erlauben. Auf diese Weise können aus dem Akku weitere Geräte wie etwa Elektrowerkzeuge, Notebooks oder ähnliche Produkte geladen werden.

Somit bescheren Ladegeräte mit weitem Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich den Herstellern einen reduzierten Kosten- und Entwicklungsaufwand, während die Nutzung für den Anwender attraktiver wird. (kr)

* Charles Harthan ist Product Marketing Engineer Battery Charging Products bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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