Dynamische Stromverteilung in Ladeschaltungen leicht gemacht

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Ein MOSFET ersetzt die beiden Dioden

Ersetzt man die Dioden in Bild 1 durch einen MOSFET (M1 in Bild 2), ist das ein Schritt in die richtige Richtung. In diesem Fall sorgt der MOSFET für eine niederohmige Verbindung zwischen Akku und angeschlossenem Gerät, das ermöglicht sowohl ein Laden des Akkus als auch das unmittelbare Einschalten des Geräts, wenn die Spannungsquelle entfernt wird.

Braucht das System mehr Strom, als die Stromquelle liefern kann, kann der Akku über den PowerPath-FET die Differenz dazu liefern. Nachdem D1 nun nicht mehr vorhanden ist, kann der Lade-IC intern für eine Strombegrenzung sorgen und somit verhindern, dass der USB-Port überlastet wird.

Ein zweites Problem bleibt aber noch ungelöst: Die Strombegrenzung verhindert zwar die Überlastung des USB-Ports, aber sie verteilt den Strom nicht zwischen System und Batterieladung. Der Anwender wird normalerweise die volle Systemleistung wünschen und dafür eine verlängerte Ladezeit in Kauf nehmen, statt zu akzeptieren, dass sein System nicht genügend Speiseleistung bekommt, damit der Akku möglichst schnell geladen wird.

Um dieses Problem anzugehen, braucht man eine dynamische Stromverteilung, die den Ladestrom so steuert, dass die Leistungsfähigkeit der Quelle und der Strombedarf des angeschlossenen Systems berücksichtigt werden. Ziel dabei ist die volle Systemleistung bei externer Stromversorgung bei gleichzeitig minimaler Nutzung des Akkus in dieser Zeit.

Ein externer und ein interner MOSFET im Akkustrompfad

Die Schaltung in Bild 3 arbeitet sowohl mit einem externen als auch einem internen MOSFET im Akkustrompfad. Dieser Aufbau bietet dynamische Leistungsverteilung. Der externe MOSFET ist optional: Anwendungen mit hohem Strombedarf (bei denen viel Wärme abgeleitet werden muss), profitieren von einem externen Schaltelement. Wenn die Ladeschaltung abgeschaltet ist, versorgt der Akku das angeschlossen Gerät komplett selbst.

Ein Vorregler versorgt Ladeschaltung und System

Bild 4 zeigt, wie beim Anschluss an eine externe Stromquelle Ladeschaltung und System über einen Vorregler versorgt werden. Sowohl dessen Ausgangsspannung als auch sein Maximalstrom können konfiguriert werden. Steigt der Strombedarf des Systems, sinkt der Ladestrom automatisch, damit der im Vorregler eingestellte Maximalstrom nicht überschritten wird, man erzielt so also eine dynamische Stromverteilung.

Bei vollem Akku wird das System komplett über den Vorregler versorgt

Ist der Akku voll geladen, öffnet sich der Akkuschalter in Bild 5. Das System wird nun komplett über den Vorregler versorgt, aus dem Akku wird somit kein Strom entnommen, was dessen Lebensdauer verlängert. Überschreitet der Strombedarf des Systems (rot) den eingestellten Maximalstrom der externen Quelle kann der Akku zusätzlich Strom (gelb) über die PowerPath-FETs liefern („battery switch + ideal diode“ in Bild 5). Ist der programmierte Maximalstrom erreicht, sinkt VSUP_CHG minimal unter die Akkuspannung, so dass Strom aus dem Akku ins System fließen kann. Der Maximalstrom der externen Stromquelle wird aber nicht überschritten, so dass die Stromquelle nicht überlastet wird.

Integration einer dynamischen Stromsteuerung in eine PMU

In portabler Consumer-Elektronik, etwa in Tablets, ist Platz absolute Mangelware. Daher ist die Stromversorgung solcher Geräte meist mit einem Power Management IC (PMIC) aufgebaut, das die notwendigen Gleichspannungswandler in einem IC vereint.

Zur Vereinfachung des Designs der Stromversorgung und zur Platzersparnis wäre zu wünschen, dass die Ladeschaltung in diesen PMIC integriert ist. Aber wo bleibt dann die dynamische Stromsteuerung, wie sie oben beschrieben ist?

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