Worauf es bei der Auswahl von Lade- und Schutzschaltungen für Lithium-Ionen-Akkumulatoren ankommt

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Texas Instruments Deutschland GmbH

Fail-Open-Funktion oberhalb der absoluten Grenzwerte

Der Eingang der Schutzlösung muss eine möglichst hohe Spannung tolerieren – natürlich im Rahmen dessen, was unter Leiterplattenplatz- und Kostenaspekten machbar ist. Innerhalb der festgelegten Betriebsbedingungen soll der Strom dabei durchgelassen werden, beim Überschreiten des jeweiligen Überspannungsschutz (OVP)-Schwellenwerts soll der Stromfluss unterbunden werden, ohne dass es zu Schäden kommt.

Oberhalb der absoluten Grenzwerte der Lösung muss diese eine Fail-Open-Funktion haben, damit potenziell schädliche Überströme nicht an das System weitergegeben werden. Am Ausgang muss sichergestellt werden, dass die Spannungswerte die Spezifikationen beteiligter Subsysteme, die entweder über den Akku oder direkt über den Netzadapter versorgt werden, nicht übersteigen. Subsysteme, etwa zur Spannungsregelung und Verarbeitung, verkraften keine Hochspannungstransienten am Eingang, da hier zumeist mit kostengünstiger Niederspannungs-Prozesstechnologie gearbeitet wird, die empfindlich gegen Überspannungen ist.

Weitgehend softwaregesteuerte Ladeschaltung

Überstromschutz- und Strombegrenzungsfunktionen können gleichermaßen unter Sicherheits- und Konformitätsaspekten wünschenswert sein, damit nicht die Einschaltstromgrenzwerte oder die Höchstwerte der jeweiligen USB-Spezifikation überschritten werden. Bild 1 zeigt zwei Eingangsschutz-Szenarien bei einem Lade-Subsystem in einem System mit einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle. In Fall A (Bild 1a) wird die Ladefunktion über eine weitgehend softwaregesteuerte Ladeschaltung wahrgenommen, die in eine Low-Voltage-Power-Management-Einheit integriert ist.

Solche Schaltungen findet man häufig als Bestandteil hochintegrierter Chipsätze für Mobiltelefone, GPS-Navigationssysteme oder Bluetooth-Headsets. Hier bietet es sich an, die notwendigen Schutzfunktionen über ein eigenes Überspannungs- und Überstromschutz-IC zu realisieren.

Eigenständiges Lade-IC regelt das Batteriemanagement

In Fall B (Bild 1b) wird die Ladefunktion durch ein eigenständiges Lade-IC ausgeführt. Das IC regelt das Batterielademanagement sowie das Dynamic-Power-Path-Management und stellt sicher, dass das System selbst dann ordnungsgemäß funktioniert, wenn die Akkus defekt oder komplett entladen sind oder entnommen wurden. Für den Systementwickler bietet sich ein solches Setup an, um den Software-Entwicklungsaufwand für die Ladesteuerung zu reduzieren. Daneben kann es auch erforderlich sein, das System vor einem unerwünschten und potenziell gefährlichen Ladeverhalten infolge eines blockierten Mikrocontrollers zu schützen. In einem solchen Anwendungsszenario erscheint es sinnvoll, Funktionen für einen Überspannungsschutz und zur Strombegrenzung in das Lade-IC zu integrieren.

Systemschutzfunktionen beim analogen Basisband

Angesichts der erforderlichen Integrationsdichte und Kostenaspekte beim analogen Basisband werden häufig IC-Prozesse auf der Basis der CMOS-Technologie verwendet, die Spannungen von 4,5 bis 6 V standhalten. Eine geringere Halbleiterprozessspannung ist normalerweise gleichbedeutend mit einer höheren digitalen Dichte und einem geringeren Platzbedarf von Leistungskomponenten wie Transistoren oder Dioden auf dem Chip. Das hat wiederum kleinere Die-Größen und Gehäuse zur Folge, wodurch sich insgesamt die Systemkosten reduzieren. Allerdings geht dieser Vorteil meist mit einer stärkeren Empfindlichkeit gegen Überspannungen und, daraus resultierend, elektrischer Überlastung einher.

Der vorgegebene Wert darf keinesfalls überschritten werden

Somit muss am Ausgang der Schutzlösung sichergestellt sein, dass der vorgegebene Wert – unabhängig von den Eingangszuständen, die gleichermaßen einen statischen Gleichstrombetrieb und transiente Zustände einschließen – nie überschritten wird. Idealerweise wird der Ausgang auf einen festgelegten Grenzwert reguliert, während gleichzeitig am Eingang ohne Schäden ein größerer Spannungsbereich verarbeitet werden kann. Beim Szenario A wird davon ausgegangen, dass der vom Basisband-IC und anderen Subsystemkomponenten, z.B. linearen Spannungsreglern (LDOs) und DC/DC-Schaltwandlernwandlern, tolerierte absolute Maximalwert bei ca. 6 V liegt.

Der Ausgang des Schutz-ICs wird infolgedessen auf eine Nennspannung von 5,5 V reguliert, um Regeltoleranzen aufgrund der Transientenreaktionszeit zu berücksichtigen. Der Eingang der Schutzschaltung unterscheidet zwischen „Normalzuständen“, Transienten, die im Normalbetrieb beim Laden toleriert werden, und anormalen Transienten, vor denen das System geschützt werden muss.

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