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

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ACTRON AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Texas Instruments Deutschland GmbH

Das Ladegerät soll schützen ohne selbst Schaden zu nehmen

Ähnlich wie bei der Stand-alone-Schutzlösung sollte das Ladegerät Schutz vor hohen Eingangsspannungen bieten, ohne selbst Schaden zu nehmen. Die OVP-Funktion schaltet dabei die Regelspannung am Ausgang ab und unterbricht den Ladevorgang, wenn die Eingangsspannung über die Dauer der OVP-Deglitch-Zeit hinaus den VOVP-Wert übersteigt. Im OVP-Modus wird der Systemausgang (OUT) mit dem Akku verbunden, und das Ladegerät meldet eine fehlerhafte Eingangsquelle. Sobald der OVP-Zustand beseitigt ist, beginnt eine neue Einschaltsequenz, und der Lader wird zurückgesetzt.

Die Last wird über einen Ausgang des Ladegeräts mit Strom versorgt

In Systemen mit Power-Path-Management hat das Ladegerät einen Ausgang, über den die externe Last mit Strom versorgt wird. Zu beachten ist hierbei, dass das System nicht direkt mit dem Akku verbunden ist. Der entsprechende Ausgang ist immer dann aktiv, wenn eine Stromversorgungsquelle am Eingang des Ladegeräts (IN) oder des Akkus (BAT) angeschlossen ist.

Die DPPM-Schaltung überwacht den Eingangsstrom kontinuierlich

Bei einem Netzadapter oder einem USB-Anschluss als Stromquelle überwacht die DPPM-Schaltung den Eingangsstrom kontinuierlich. Der Ausgang des Ladegeräts kann dabei auf einen Wert von 200 mV über der Spannung am Akku (BAT) geregelt werden. Sinkt die BAT-Spannung auf weniger als 3,2 V ab, wird OUT fest auf 3,4 V eingestellt. So kann das System auch dann ordnungsgemäß in Betrieb gehen, wenn der Akku entladen ist.

Einstellbare Strombegrenzung deckt breiten Anwendungsbereich ab

Der bei IN eingehende Strom lädt über den Ausgang OUT gleichzeitig den Akku und versorgt die Systemlast mit Strom. Um einen breiten Anwendungsbereich abzudecken, muss die Ladeschaltung für das Laden von USB-Anschlüssen eine einstellbare Strombegrenzung aufweisen, mit der zwischen 100 mA (USB100) und 500 mA (USB500) gewählt werden kann. Außerdem muss sie eine Eingangsstrombegrenzung haben, die über einen Widerstand programmiert werden kann, mit der die Anpassung an verschiedene Netzadapter erfolgt.

Die Einstellung der Eingangsstrombegrenzung wird über den Zustand der Anschlüsse EN1 und EN2 gesteuert. Wird der Strom durch entsprechende Programmierung eines Widerstands begrenzt, wird die Eingangsstrombegrenzung durch den Wert des Widerstands zwischen ILIM-Anschluss und VSS geregelt. Ist bei IN eine Spannungsquelle angeschlossen, hat die Systemlast Priorität vor dem Laden des Akkus. Der DPPM-Modus und der Akku-Ergänzungsmodus dienen dazu, die Systemlast weiter mit Strom zu versorgen. Entsprechende Beispiele zu den DPPM- und Ergänzungsmodi sind in Bild 4 dargestellt.

Ladeschaltung darf die USB-Quelle nicht abstürzen lassen

Für den Betrieb an USB-Anschlüssen mit Strombegrenzung kann mit einem Eingangsspannungs-basierten DPM (IDPM) gearbeitet werden. Sind EN1 und EN2 für den USB100- bzw. USB500-Modus eingerichtet, erfolgt eine Überwachung der Eingangsspannung. Fällt die Eingangsspannung VIN auf einen festgelegten Schwellenwert ab, wird die Eingangsstrombegrenzung „gelockert“, damit die Spannung nicht weiter absinkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Ladeschaltung eine ungünstig ausgelegte oder falsch konfigurierte USB-Quelle zum Absturz bringt. Übersteigen der Lade- und der Systemlaststrom zusammen den durch EN1, EN2 und ILIM vorgegebenen maximalen Eingangsstrom, wird die Spannung am Ausgang OUT verringert. Sobald die Spannung am OUT-Anschluss auf den DPPM-Schwellenwert absinkt, wird der Ladestrom reduziert, während gleichzeitig der Strom an OUT erhöht wird, um die Versorgung am Systemausgang aufrechtzuerhalten.

Ist am Eingang IN keine Stromquelle angeschlossen, wird OUT ausschließlich über den Akku mit Strom versorgt. In dieser Betriebsart wird der an OUT abgegebene Strom nicht reguliert. Allerdings muss hierbei eine Kurzschlussschaltung aktiv sein, damit das Ladegerät vom System nicht überlastet wird.

*Patrick Heyer ist System Engineering Manager Battery Charge Management bei Texas Instruments in Dallas, Texas.

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