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Analog Devices

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Power-Backup-Manager

Eine integrierte Lösung für einen Power-Backup-Manager und Ladeschaltung, die die erwähnten Ziele erreicht, benötigt folgende Eigenschaften:

• Synchrone Abwärtswandel-Topologie für einen hohen Wirkungsgrad,

• weiter Eingangsspannungsbereich, um verschiedene Energiequellen zu erlauben und Schutz vor hohen Spannungsspitzen zu bieten,

• geeignete Batterieladespannung, um den GPRS-Chipsatz zu unterstützen,

• einfacher und autonomer Betrieb mit einer integrierten Ladeterminierung (kein Mikrocontroller nötig),

• PowerPath-Steuerung zum nahtlosen Umschalten zwischen Eingangs- und Reserve-Versorgung bei einem Stromausfall, sie muss bei kurzgeschlossenem Eingang auch ein Verpolen der Spannung verhindern,

• kleine und flache Lösung wegen Platzbeschränkungen,

• fortschrittliches Gehäuse mit verbessertem thermischen Verhalten und effektiver Raumausnutzung.

Um diese speziellen Anforderungen zu erfüllen, hat Analog Devices kürzlich den LTC4091 vorgestellt – ein vollständiges Lithium-Ionen-Batterie-Backup-System für Spannungspegel von 3,45 bis 4,45 V, die während einer langen Zeitspanne aktiv sein müssen, wenn die Hauptstromversorgung ausfällt. Der LTC4091 enthält einen monolithischen 36-V-Abwärtswandler mit adaptiver Ausgangsregelung, um Strom an den Verbraucher zu liefern und über den Ausgang des Abwärtswandlers ein Laden der Batterie mit hohem Wirkungsgrad zu ermöglichen. Wenn eine externe Spannungsquelle verfügbar ist, liefert der Baustein bis zu insgesamt 2,5 A Ausgangsstrom und bis zu 1,5 A Ladestrom für eine einzellige 4,1- oder 4,2-V-Lithium-Ionen-Batterie.

Bildergalerie

Wenn die primäre Eingangsspannungsquelle ausfällt und den Verbraucher nicht länger versorgen kann, liefert der LTC4091 bis zu 4 A aus der Reserve-Lithium-Ionen-Batterie über eine interne Diode an die Systemlast und einen relativ unbegrenzten Strom, wenn ein externer Diodentransistor eingesetzt wird. Um empfindliche nachgelagerte Lasten zu schützen, ist die maximale Lastspannung am Ausgang auf 4,45 V festgelegt.

Die PowerPath-Regelung des Bausteins erlaubt während eines Stromausfalls ein nahtloses Umschalten zwischen Eingangs- und Reserveleistung und ein Blockieren bei Verpolung, wenn der Eingang kurzgeschlossen ist. Typische Anwendungen für den LTC4091 sind Flotten- und Asset-Tracking, GPS-Datenspeicher und Telematiksysteme im Automobil, Sicherheitssysteme, Kommunikations- und Back-Up Systeme für die Industrie.

Der LTC4091 hat einen maximalen Eingangsüberspannungsschutz von 60 V absolut, wodurch das IC immun gegen hohe Eingangsspannungsspitzen ist. Die Batterieladeschaltung des LTC4091 liefert zwei über Pins wählbare Ladespannungen, die für Applikationen mit Lithium-Ionen-Back-Up Batterien optimiert sind: die beiden Standard-4,2-V- und 4,1-V-Optionen, die die Batteriebetriebszeit zugunsten einer erhöhten Anzahl von Lade-/Entladezyklen reduziert. Weitere Eigenschaften sind Soft-Start und Frequenz-Fold-Back, um den Ausgangsstrom während des Hochfahrens und Überlast zu regeln und auch die Erhaltungsladung, automatisches erneutes Laden, vorladen schwacher Batterien, Ladezeit-Begrenzung, Temperaturregelung, zu ermöglichen. Darüber hinaus ist noch ein Thermistor-Pin für das Laden mit qualifizierter Temperatur vorhanden.

Der LTC4091 ist in einem 0,75 mm flachen 3 mm x 6 mm großen DFN-Gehäuse mit 22 Anschlüssen und zur exzellenten Wärmeabfuhr mit einer auf der Rückseite herausgeführten Metallfläche untergebracht. Der Baustein arbeitet im Betriebstemperaturbereich zwischen –40 und 125 °C. Bild 1 zeigt eine typische Anwendungsschaltung.

Schutz vor Übertemperatur

Um eine Zerstörung des ICs durch zu hohe Temperaturen zu verhindern, reduziert eine interne Temperatur-Rückkoppelschleife automatisch den programmierten Ladestrom, wenn die Temperatur auf ungefähr 105 °C ansteigt. Die Temperaturregelung schützt den LTC4091 vor zu hohen Temperaturen bei Betrieb mit hohen Leistungen oder hohen Umgebungstemperaturen. Sie erlaubt es dem Anwender die Grenzen für die Handhabung der Leistung für eine vorgegebene Baugruppe nach oben zu verschieben, ohne das Risiko, damit den LTC4091 oder externe Komponenten zu schädigen. Der Vorteil der Temperaturregelschleife ist, dass der Ladestrom entsprechend den aktuellen Bedingungen eingestellt wird, auch bei Worst-Case-Bedingungen, mit der Sicherheit, dass die Ladeladeschaltung den Strom automatisch reduziert.

Betrieb bei Kaltstartbedingungen im Automobil

Anwendungen im Automobil haben häufig große Einbrüche in der Versorgungsspannung zu verkraften, wie bei einem Kaltstart, was den Hochspannungs-Schaltregler aus der Regelung bringen kann, welches in einer überhöhten VC-Spannung resultiert und daraus folgend in einem zu großen Überschwingen der Ausgangsspannung, wenn sich VIN wieder erholt. Um dieses zu hohe Überschwingen nach einem Kaltstart zu verhindern, ist es nötig, die Soft-Start-Schaltung des LTC4091 mit dem RUN/SS-Pin zu resetten. Bild 2 zeigt das Beispiel einer einfachen Schaltung, die automatisch eine Brown-out-Bedingung erkennt und den RUN/SS-Pin zurücksetzt, was die Softstart-Funktion wieder aktiviert und eine Schädigung durch das zu hohe Überschwingen am Ausgang verhindert.

Zusammenfassung

Der Einsatz von Trackingsystemen in Automobilen und Fahrzeugflotten steigt beständig. Die Ausmaße moderner Tracker sind geschrumpft und ihr Funktionsumfang ist gewachsen, um eine aktive Datenübertragung in Echtzeit zu ermöglichen. Darüber hinaus sind Backup-Fähigkeit und geringere Spannungen zum Versorgen des GPRS-Chipsatzes nötig. Der LTC4091 von Analog Devices ist ein abwärts wandelnder Hochspannungs-/Hochstrom-Batterielader und PowerPath-Backup-Manager mit Temperaturregelung und weiteren Schutzfunktionen. Alles ist in einer kompakten, leistungsfähigen und flexiblen Einchip-Lösung für Anwendungen zur Fahrzeugnachverfolgung integriert, was die Entwicklungsaufgabe für die Designer wesentlich einfacher und leichter macht.

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* Steve Knoth ist Senior Product Marketing Engineer in Analog Devices’ Power by Linear Group.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Zu Analog Devices

Link: Dieser Beitrag ist im Sonderheft Automotive & Transportation der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS erschienen (Download PDF).

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