Der optimale Wirkungsgrad Spannungswandler in Batteriesystemen

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Die meisten batteriebetriebenen Systeme benötigen ein Konzept für das Laden der Batterie. Doch wie werden verschiedene Energiemanagementfunktionen für batteriebetriebene Systeme entwickelt und optimiert?

Viele Systeme benötigen eine Batterieversorgung. Batterien werden als Versorgungsredundanz für den Fall eines Stromausfalls verwendet, vor allem aber in tragbaren Geräten, die so groß wie ein Elektrofahrzeug oder so klein wie ein Hörgerät sein können. Bei allen batteriebetriebenen Systemen ist die Effizienz der Stromversorgung entscheidend. Je weniger effizient die Stromversorgung ist, desto größer und teurer ist die Batterie für die gleiche Betriebsdauer. Außerdem liefern die Batterien je nach Ladezustand unterschiedliche Spannungen. Dies erfordert spezielle Leistungswandler, um die schwankende Spannung der Batterien so zu regeln, dass sie für die Systemelektronik konstant ist. Die meisten batteriebetriebenen Systeme arbeiten heute mit einem Akku anstelle einer nicht wiederaufladbaren Primärbatterie. Daher benötigen die Systeme ein Ladegerät. In diesem Artikel werden verschiedene Ladearchitekturen und innovative Beispiele erläutert. Auf jeden Fall muss die Energieumwandlung effizient sein.

Bild 1 zeigt das vereinfachte Systemdiagramm eines batteriebetriebenen Systems. Während die genaue Implementierung bei verschiedenen Anwendungsfällen variiert, sind die Hauptfunktionsblöcke in diesem Diagramm in der Regel in allen Systemen vorhanden. Es gibt eine Versorgungsspannung, die Energie an das System liefert. Dieser Anschluss muss oft schaltbar sein. Handelt es sich bei der Spannungsquelle um ein AC-Steckernetzteil, so hat das Abziehen des Niederspannungskabels die gleiche Wirkung wie das Umschalten des Schalters in Bild 1 in die Aus-Position. Ein solches Energieflussmanagement ist notwendig, um zu vermeiden, dass wertvolle Batterieenergie an zusätzliche Schaltungen an der Stromquelle verloren geht. Bild 1 zeigt zudem eine mögliche zweite Spannungsquelle. Der Umschalter würde den Stromfluss von Quelle 1 oder Quelle 2 umschalten. Bei der Spannungsquelle 2 kann es sich beispielsweise um eine USB-5-V-Versorgung handeln.

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Danach wird die Spannung umgewandelt, um die vorhandene Batterie sicher aufzuladen und/oder das System direkt zu versorgen. Steht keine Eingangsleistung zur Verfügung, wird die in der Batterie gespeicherte Energie mit einem hocheffizienten Schaltnetzteil zur Stromversorgung des Systems genutzt.

Effiziente Stromversorgung in batteriebetriebenen Systemen

Das Aufladen eines Akkus muss normalerweise nicht sehr energieeffizient sein. Mit Ausnahme von „Energy Harvesting“ ist bei den meisten batteriebetriebenen Systemen während einer Aufladungsphase genügend Energie vorhanden, um einen Akku aufzuladen. Wenn beispielsweise ein Mobiltelefon an ein Ladegerät angeschlossen ist, ist die genaue Effizienz des Ladevorgangs für die meisten Menschen normalerweise nicht von Bedeutung.

Bei Energy-Harvesting-Systemen ist jedoch der Wirkungsgrad während des Ladevorgangs entscheidend. Eine höhere Energieeffizienz während des Ladevorgangs führt letztlich zu kleineren Energy Harvestern, was zu geringeren Systemkosten und -größe führen kann.

Bei allen batteriebetriebenen Systemen ist allerdings die Effizienz der Energieumwandlung wichtig, wenn die Batterie entladen wird. Während dieses Prozesses führt ein höherer Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung unmittelbar zu einer geringeren Batteriekapazität bei gleicher Betriebsdauer des Systems.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer solchen Leistungsumwandlungsstufe aus der Batterie zur Erzeugung der Spannung, die für die Last erforderlich ist, muss weiter untersucht werden. Es gibt einen Wirkungsgrad bei Volllast, der Aufschluss darüber gibt, wie lange ein System bei Nennlast betrieben werden kann, und einen Wirkungsgrad bei geringer Last, der bei vielen Systemen eine wichtige Rolle spielt. Dabei handelt es sich um den Wirkungsgrad der Stromumwandlung bei sehr geringen Lastverhältnissen. Betrachtet man beispielsweise einen batteriebetriebenen Rauchmelder, so läuft dieser viele Jahre lang mit einem geringen Laststrom, bis Rauch erkannt wird und ein Alarm ertönt. Der Alarm wird erst durch einen hohen Strom ermöglicht, aber die Leistungseffizienz in dieser Phase ist nicht sonderlich relevant.

Für den Wirkungsgrad in Phasen mit sehr niedriger Strombelastung ist der Ruhestrom IQ relevant. Je niedriger er ist, desto besser. Dieser Ruhestrom bestimmt zusammen mit dem Schaltschema den Wirkungsgrad bei geringer Last. Bild 2 zeigt ein typisches Wirkungsgraddiagramm mit und ohne Schwachlast-Wirkungsgradmodus. Der Schwachlast-Wirkungsgradmodus ist durch die blaue Kurve und der Modus mit fester Schaltfrequenz durch die schwarz-gestrichelte Kurve dargestellt. Viele Stromwandlerschaltungen verfügen über einen solchen Modus, um den Wirkungsgrad bei geringer Last zu erhöhen. In der Regel wird die konstante Schaltfrequenz gestoppt und es werden nur dann ein paar Schaltimpulse erzeugt, wenn die Ausgangsspannung leicht abfällt. Zwischen diesen Impulsen schaltet der Schaltregler IC viele Funktionen ab, um Strom zu sparen. Diese Stromsparmodi können sich in Bezug auf die genauen Architekturen von verschiedenen Schaltkreisen (Integrated Circuit, IC) leicht unterscheiden, aber das Ergebnis solcher speziellen Modi ist immer ein sehr hoher Wirkungsgrad bei geringer Last.

Der Wirkungsgradunterschied bei 1 mA Ausgangslast ist in Bild 2 recht hoch. Mit aktiviertem Stromsparmodus bei einer geringen Last von 1 mA (sogar bis zu einer Last von nur 100 μA) sehen wir einen Wirkungsgrad von 50 Prozent. Bei einer festen Schaltfrequenz von 600 kHz und ohne aktivierten Energiesparmodus wird ein Wirkungsgrad von nur etwa 15 Prozent erreicht.

Herausforderungen bei der Energieumwandlung

Wie bereits erwähnt, ist die Effizienz der Spannungsumwandlung bei batteriebetriebenen Systemen sehr wichtig. Für ein batteriebetriebenes System können alle vorhandenen Topologietypen gewählt werden. Eine häufig verwendete Topologie ist jedoch der Abwärts-Aufwärts-Wandler mit vier Schaltern. Viele Systeme benötigen eine Versorgungsspannung von 3,3 V und werden von einer einzigen Lithium-Ionen-Batteriezelle gespeist. Solche Zellen liefern eine Nennspannung von 3,6 V. Nähert sich der Akku allerdings dem entladenen Zustand, liegt der Wert nur noch zwischen 2,8 V und 3,0 V. Um eine möglichst lange Laufzeit des Systems zu erreichen, müssen wir so viel Energie wie möglich aus der Batterie nutzen. Bei 3,3-V-Systemen müssen wir daher die 3,6 V auf 3,3 V herabsetzen, wenn die Lithium-Ionen-Batterie vollständig geladen ist. Kündigt sich jedoch bei der Batterie das Ende der Entladung an, müssen 2,8 V auf 3,3 V angehoben werden, was einen Abwärts-Aufwärts-Wandler erfordert. Es gibt viele verschiedene Arten von Abwärts-Aufwärts-Wandlern. Zu den geeigneten Topologien gehören unter anderem die transformatorische Flyback-Schaltung, die Single-Ended Primary-Inductor Converters (SEPIC) mit zwei Spulen und der Abwärts-Aufwärts-Wandler mit vier Schaltern, um nur einige zu nennen. Der zuletzt Genannte kommt normalerweise zum Einsatz, da er im Vergleich zu den beiden anderen Topologien den höchsten Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung aufweist.

Es ist möglich, eine Abwärts-Aufwärts-Topologie ganz zu vermeiden, indem man statt nur einer, zwei Lithium-Ionen-Batterien in Reihe schaltet. Dann wird nur ein einfacher Abwärtswandler benötigt. Dies erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand und Kosten für die zweite Batteriezelle. Außerdem ist das Laden von zwei Akkuzellen etwas anspruchsvoller als das Laden einer einzelnen Zelle. Wenn zwei Zellen in Reihe geschaltet werden, beträgt die maximale Spannung der beiden in Reihe geschalteten Zellen 7,2 V. Dies erfordert einen Leistungswandler mit einem Halbleiterprozess mit höherer Spannung als die typischen 5,5-V-Halbleiterprozesse. Dies ist kein Problem, kann aber die Kosten für den Halbleiter des DC/DC-Wandlers etwas in die Höhe setzen.

Die Auswahl der richtigen Ladeschaltung

Es gibt viele Batterielade-ICs auf dem Markt. Ein Batterielader hat eine Funktion, die Spannung und Strom in einer Weise bereitstellt, die Akkus sicher auflädt. Bei der Auswahl eines IC muss zunächst entschieden werden, ob ein lineares Lade-IC oder ein Schaltlade-IC verwendet werden soll. Lineare Lade-ICs sind wie lineare Regler. Sie können nur eine verfügbare Spannung herabsetzen. Der Eingangsstrom entspricht in etwa dem Ausgangsstrom.

Wenn beispielsweise eine entladene Batterie eine Spannung von 0,8 V hat und die verfügbare Systemspannung 3,3 V beträgt, muss die lineare Ladeschaltung die Spannung um 2,5 V herabsetzen. Wenn der Ladestrom 1 A beträgt, werden 2,5 W von der linearen Schaltung in Wärme umgewandelt. Das mag zwar möglich sein, aber stellen Sie sich eine Systemspannung von 12 V vor. Hier beträgt die Verlustleistung 11,2 W. Lineare Ladeschaltungen sind eine vernünftige Wahl für Anwendungen mit niedrigen Ladeströmen und einer Systemspannung, die nahe bei der Batteriespannung liegt. Für alle anderen Anwendungen werden schaltende Lade-ICs empfohlen. Bei den meisten erhältlichen Batterielade-ICs handelt es sich um schaltende Modelle. Dies sind klassische Schaltnetzteile (Switch-Mode Power Supply, SMPS) mit speziellen Funktionen, die das Laden von Batterien ermöglichen. Sie können mit konstanter Spannung oder konstantem Strom laden, manchmal sogar mit beidem, und bieten spezielle Funktionen, um das Laden sicher zu machen. Beispiele hierfür sind ein Timer, der erkennt, ob eine angeschlossene Batterie defekt ist, oder ein Temperatursensor zur Begrenzung der Batterietemperatur während des Ladevorgangs, um ein thermisches Durchgehen unter verschiedenen Umständen zu vermeiden. Eine Funktion, die sich immer größerer Beliebtheit erfreut, ist die Sicherheitsprüfung zwischen einem Akkupack und einem Ladegerät, die überwacht, ob ein zugelassener Akku an das System angeschlossen ist.

Bild 4 zeigt ein eigenständiges SMPS-Lade-IC. Es handelt sich dabei um den MAX77985, der sowohl die Abwärts-SMPS-Ladefunktion als auch einen Leistungspfadschalter implementiert. Der Leistungspfadschalter ist für die meisten Anwendungen unentbehrlich. Er kann die Eingangsspannungsschiene vom Akku trennen, sobald dieser vollständig aufgeladen ist, um zu verhindern, dass Energie aus dem Akku über Schaltungsteile abfließen kann, die an den Eingang angeschlossen sind. Außerdem verfügt die Lösung über eine digitale I2C-Schnittstelle zur Änderung bestimmter Einstellungen des Lade-ICs sowie für Telemetriezwecke. Um ein Batterieladegerät so flexibel wie möglich zu gestalten, erlauben digitale Schnittstellen Einstellungen für verschiedene Batterietypen und -größen. Von den vielen verschiedenen Merkmalen ist ein Punkt besonders bemerkenswert. Die integrierten Leistungsschalter im MAX77985 können nicht nur im Abwärtsmodus den Akku laden, sondern auch die Akkuspannung auf eine höhere Systemspannung anheben. In gewisser Weise kombiniert dieser spezielle Lade-IC den Systemspannungswandler mit einem reinen Akkulade-IC.

Batteriebetriebene Geräte erfordern viele verschiedene elektrische Funktionen. Einige Produkte bieten nur grundlegende Funktionen, während andere Produkte hochgradig integriert sind und die meisten Funktionen in einem IC zur Verfügung stellen. Solche Produkte werden als integrierte Schaltungen für das Spannungsversorgungsmanagement (Power Management Integrated Circuits, PMICs) bezeichnet und sind in batteriebetriebenen Anwendungen besonders beliebt. Dafür gibt es mehrere Gründe. Einer ist, dass viele batteriebetriebene Systeme recht klein sind und daher eine kompakte Systemlösung erfordern. Der zweite Grund ist, dass jeder einzelne IC einen gewissen Ruhestrom benötigt, d.h. Strom, der immer fließt, wenn der IC versorgt wird. Dadurch wird schließlich die Batterie entladen. Die Kombination vieler verschiedener Schaltungsteile in einem PMIC reduziert in den meisten Fällen den Ruhestrom des Systems.

Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität hat in den letzten 20 Jahren vor allem die Landschaft für batteriebetriebene Systeme verändert. Für das effiziente Laden und Entladen dieser Akkus gibt es zahlreiche integrierte Schaltungen. Heute wird viel Forschung für zukünftige Akkukonstruktionen betrieben, um die Kapazität pro Gewicht und Volumen zu erhöhen und die mögliche Ladegeschwindigkeit zu steigern, ohne die Betriebssicherheit zu beeinträchtigen. Ein Ende der Innovationen bei den ICs zum Laden und Entladen von Akkus ist nicht in Sicht, um mit diesen Entwicklungen Schritt zu halten. (mr)

Power-Tipp

Wandlung auf Core-Spannung in einem Schritt

* Frederik Dostal ist Experte für Energiemanagement bei Analog Devices

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