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

Anbieter zum Thema

ACTRON AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Texas Instruments Deutschland GmbH

USB-Anschlüsse – die trendigen Ladequellen

Als beliebte Ladequellen haben sich in letzter Zeit USB-Geräte erwiesen, die gemäß USB 2.0-Spezifikation eine VBUS-Nennspannung von 5 V (bei einem Minimalwert von 4,75 V und einem Höchstwert von 5,25 V) liefern. Bei den Ladequellen kann es sich um USB-Anschlüsse von Computern oder um USB-Hubs handeln, die der einschlägigen Spezifikation entsprechen. Ebenso kann die Spannung von einem geregelten Netzadapter bezogen werden, der das Stromverhalten eines USB-Anschlusses quasi imitiert. Der normale Anwendungsfall entspricht bei uns einer Nennspannung von 5 V.

Ladevorgang darf auch bei Transienten bis 6 Volt nicht unterbrochen werden

Eine zunehmend verbreitete Spezifikation aus China, die einen einheitlichen Standard für Ladegeräte vorsieht und die Stromversorgung von Endgeräten vereinfachen soll, die über USB-Anschlüsse und Adapter gespeist werden, fordert, dass der Ladevorgang auch bei Transienten von bis zu 6 V in der VBUS-Versorgung nicht unterbrochen wird. Dabei kann jedoch die Nennspannung im analogen Basisband überschritten werden und es können Schäden auftreten. Bei den entsprechenden Anwendungen wird ein OVP-Wert von 5,85 V am Eingang empfohlen; steigt die Spannung über diesen Wert an, schneidet die Schutzschaltung die Stromzufuhr zum System ab. Unterhalb des OVP-Eingangsschwellenwertes wird der Ausgang auf einen sicheren Wert von 5,5 V reguliert.

Betriebszustände bis zum OVP-Wert sind also erlaubt und werden als zulässige Transienten betrachtet. Transienten oberhalb von 5,85 V gelten hingegen als anormal und müssen vom System ferngehalten werden. Das System wird somit im Schutzmodus betrieben. Moderne Schutz-ICs sind in der Lage, Überspannungen von bis zu 30 V standzuhalten und danach weiterzuarbeiten. Um das OVP-IC gegen Spannungen oberhalb von 30 V zu schützen, können zusätzliche Schaltungen, z.B. Zener-Dioden, eingebracht werden.

Bei hohen Leerlaufspannungen ist erhöhte Vorsicht geboten

In Anwendungen mit ungeregelten einfachen Netzadaptern kann für den Adapter als Nennspannung unter Last 5 V angegeben sein. Aufgrund ihrer Auslegung kann es mit diesen billigen Adaptern beim Anschluss ohne Last zu Leerlaufspannungen von bis zu 10 V kommen, die einen Low-Voltage-Chipsatz unmittelbar zerstören können. In solch einem Fall verwendet man eine Schutzschaltung mit einem OVP-Schwellenwert von 10,5 V, wobei der Ausgang der Schaltung auf einen sicheren Wert von 5,5 V reguliert wird. Je nach Eingangsquelle muss eine entsprechende Lösung mit passendem OVP-Wert ausgewählt werden.

Überspannungsschutz mit linearer Regelung

In Bild 2 ist das Profil einer solchen Überspannungsschutz-Lösung mit linearer Regelung dargestellt. Bei Eingangsspannungen von 0 V bis zur Unterspannungsabschaltung (UVLO, dem Betriebswert des ICs) bleibt die Ausgangsspannung der Schutzschaltung bei 0 V. Solange die Eingangsspannung unterhalb der Regelspannung VO(REG), aber oberhalb VUVLO liegt, entspricht die Ausgangsspannung der Eingangsspannung abzüglich des Verlustes, der durch den RDS,on im Schutz-FET der Schutzschaltung bedingt ist. Liegt die Eingangsspannung zwischen VO(REG) und VOVP (dem zulässigen Transienten-Schwellenwert), wird der Ausgang auf 5,5 V reguliert.

Schaltung muss den FET in weniger als 1 μs abschalten

Bei Eingangsspannungen oberhalb des Wertes VOVP wird der Schutz-FET Q1 abgeschaltet und somit die Stromabgabe an den Ausgang unterbrochen. Die Schaltung muss dabei äußerst schnell reagieren und den FET in weniger als 1 μs abschalten. Dem System kann dieser Zustand mittels eines FEHLER-Signals mitgeteilt werden. Geht die Eingangsspannung danach auf einen Wert unterhalb von VOVP (abzüglich einer Hysteresespannung Vhys(OVP)), aber oberhalb von VUVLO zurück, wird der Schutz-FET wieder eingeschaltet, wenn nach Ablauf der Deglitch-Zeit tON(OVP) sichergestellt ist, dass sich die Eingangsspannung stabilisiert hat.

Der OCP-Schwellenwert ist über einen Widerstand programmierbar

Um die Handhabung zu vereinfachen, kann man dafür sorgen, dass sich der Überstromschutz (OCP)-Schwellenwert der Lösung über einen Widerstand programmieren lässt. Ist der Laststrom im Begriff, den Schwellenwert IOCP zu überschreiten, begrenzt der Baustein den Strom über die Sperrzeit tBLANK(OCP). Falls der Laststrom vor Ablauf der tBLANK(OCP)-Zeit wieder auf einen Wert unterhalb IOCP zurückgeht, arbeitet die Lösung weiter. Bleibt der Überstromzustand jedoch über den gesamten Zeitraum tBLANK(OCP) bestehen, wird Q1 über den Wiederherstellungszeitraum tREC(OCP) abgeschaltet und eine Fehlermeldung ausgegeben.

Jeder OCP-Fehler wird intern mitgezählt

Nach Ablauf der Wiederherstellungszeit wird der FET wieder aktiviert und der Strom weiter überwacht. Beim Auftreten eines OCP-Fehlers wird jeweils ein interner Zähler hochgezählt. Treten während eines Ladezyklus mehrere OCP-Fehler auf, wird der FET dauerhaft deaktiviert. Der Zähler wird dann entweder durch Entfernen und Wiederanlegen des Eingangsstroms oder durch Deaktivieren und Reaktivieren des Bausteins auf Null gesetzt. Um zu verhindern, dass am Eingang aufgrund der Induktivität der Eingangskabel kurzzeitige Spannungsspitzen auftreten, wird Q1 langsam abgeschaltet, so dass es zu einem „Soft-Stop“ kommt. Es besteht auch die Möglichkeit, einen zusätzlichen Überspannungsschutz zu implementieren, mit dem bei jedem Überspannungsereignis im Akku ein Fehler signalisiert wird.

(ID:285885)