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Application Notes |
Kühn das machen, was bisher noch kein linearer Ladebaustein konnte
Batterieladebausteine mit Schaltmodus sind aufgrund von unterschiedlichen Faktoren eine populäre Auswahl in unterschiedlichsten Applikationen. Nichtsdestotrotz gibt es einige Nachteile.
Hintergrund
Batterieladebausteine mit Schaltmodus sind wegen ihrer flexiblen Topologie, ihrer Fähigkeit, Batterien mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen laden zu können, ihrer hohen Ladeeffizienz mit minimaler Erwärmung, die schnelle Ladezeiten realisieren sowie ihren weiten Betriebsspannungsbereichen, eine populäre Auswahl in unterschiedlichsten Applikationen. Nichtsdestotrotz gibt es einige Nachteile bei schaltenden Ladebausteinen, wie relativ hohe Kosten, komplexere auf Spulen basierte Designs, potenzielles Rauschen und größere Ausmaße. Andererseits werden traditionelle lineare Batterieladebausteine häufig wegen ihrer kompakten Ausmaße, Einfachheit und geringeren Kosten geschätzt. Nachteile der traditionellen linearen Ladebausteine sind eingeschränkte Eingangs- und Batteriespannungsbereiche, eine höhere relative Stromaufnahme, exzessive Verlustleistung, eingeschränkte Ladeabschlussalgorithmen und ein kleinerer relativer Wirkungsgrad (Wirkungsgrad ~ [VOUT/VIN] * 100%). Moderne Bleisäurebatterien, drahtlose Leistungsübertragung, die Energieernte, Solar-Ladegeräte, entfernt installierte Sensoren und eingebettete Automobilapplikationen wurden herkömmlich auf Grund der positiven Gründe, die schon erwähnt wurden, mit Ladebausteinen mit Schaltmodus durchgeführt, jedoch gibt es jetzt die Chance für einen linearen Hochspannungs-Batterielader mit extrem geringen Stromverbrauch, der die üblicherweise damit verbundenen Nachteile umkehrt, in ihre Domäne einzudringen.
Innovative Anwendungen erfordern lineare Ladesysteme mit höherem Wirkungsgrad
Einige topaktuelle Anwendungsbereiche, in denen innovative Hochspannungs-Ladesysteme mit einem extrem geringen Ruhestrom von Vorteil sein können, sind folgende:
- Wartungsfreie Bleisäure-Batterien mit geringem Ladestrom. Viele Applikationen mit entfernt installierten Sensoren/Steuerungen profitieren vom weiten Temperaturbereich einer wartungsfreien Bleisäurebatterie. Diese entfernten Anwendungen benötigen üblicherweise nur wenig Leistung und müssen nicht schnell aufgeladen werden, deswegen können kleine Ladeströme benutzt werden – sie müssen die Batterie nur aufgeladen halten.
- Für die drahtlose Leistungsübertragung wird das Laden mit sehr geringen Leistungspegeln durchgeführt, typisch mit weniger als 100 mW.
- In Energieernte-Applikationen mit beliebigen Quellen mit sehr geringer Leistungsabgabe, ist ein geringer Ruhestrom essenziell, um zu verhindern, dass man mit den Anforderungen der nachgelagerten Verbraucher in Konkurrenz tritt.
- Laden mit Solarzellen hat Spannungen, der Solarzelle und der Batterie, die stark variieren. Bei Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf eignet sich ein lineares Ladesystem gut.
- Entfernte Sensoren für die Überwachung oder Steuerung, wie man sie üblicherweise in industriellen Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf findet, haben Batterien die überwiegend als Reserve dienen. Deshalb ist die Ladezeit nur von untergeordneter Bedeutung und die Eingangs-/Batteriespannungen variieren stark, abhängig von der spezifischen Anwendung. Ein lineares Ladesystem mit geringem IQ eignet sich hier sehr gut.
- Eingebettete Automobilanwendungen haben Eingangsspannungen von > 30 V und manchmal sogar noch darüber. Betrachtet man z.B. ein GPS-Navigationssystem, das zur Diebstahlsabschreckung dient, dann wird ein lineares Ladesystem mit der typischen 12-V-Bordspanung für zwei in Reihe geschaltete Li-Ionen-Zellen (je 7,4 V) und einer Schutzfunktion vor deutlich höheren Spannungen, in dieser Applikation geeignet sein.
- Geringer Ruhestrom – es wird mehr Energie von schwachen/intermittierenden Eingangsquellen an die Batterie geliefert, was die Verlustleistung reduziert. Darüber hinaus verlängert ein geringer IQ der Batterie die Lebensdauer der Batterie, wenn das Laden beendet ist und keine Eingangsquelle verfügbar ist.
- Weiter Eingangsspannungsbereich, um die Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Versorgungsquellen zu erlauben
- Weiter Batterieladespannungsbereich, um Batterien mit unterschiedlicher Zellenanzahl zu laden
- Fähigkeit, Batterien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu laden (Lithium, Bleisäure, Nickel)
- Einfacher und autonomer Betrieb mit einem internen Ladeabschluss (kein Mikrocontroller nötig)
- Eingangsspannungsregelung für Solarzellen als Eingangsquellen
- Kleine und flache Ausmaße
- Fortschrittliche Gehäusetechnik für verbesserte thermische Eigenschaften und optimierten Platzbedarf
Bild 1: Typische Applikationsschaltung des LTC4079 zum Laden einer 7,4-V-Li-Ionen-Batterie ----- Bild 2: Ladezyklus des LTC4079 für eine Li-Ionen-Batterie ----- Bild 3: Einstellung der Eingangsspannungsregelung des LTC4079 ----- Alle Bilder mit Zoomfunktion.Die thermische Regelfunktion des LTC4079 sichert einen maximalen Ladestrom bis zur spezifizierten Grenze ohne Risiko einer Überhitzung. Das Laden kann via C/10 oder einen internen einstellbaren Timer beendet werden. Weitere Funktionen sind ein NTC-Thermistor temperaturqualifiziertes Laden, Erkennen einer kaputten Batterie, automatisches wieder aufladen mit abgetasteter Rückkopplung im Standby für eine vernachlässigbare Batterieentladung und ein Open-Drain-CHRG-Pin-Zustandsausgang. Ist die Batterie geladen, wird die Batteriespannung alle drei Sekunden über ein Rückkoppelnetzwerk erfasst, um die Batterieentladung zu minimieren, was die Betriebszeit der Batterie verlängert. Bild 2 zeigt einen typischen vollen Ladezyklus des LTC4079 mit C/10-Ladeabschluss. Der LTC4079 ist in einem flachen DFN-Gehäuse (0,75 mm) mit 3 mm x 3 mm Kantenlänge und 10 Pins mit einem Metall-Pad auf der Rückseite für exzellente thermische Eigenschaften untergebracht. Der Baustein arbeitet einwandfrei im Temperaturbereich zwischen – 40 °C und 125 °C. Seine Schlüsseleigenschaften sind:
- Weiter Eingangsspannungsbereich: 2,7 V bis 60 V
- Einstellbare Batteriespannung: 1,2 V bis 60 V
- Einstellbarer Ladestrom: 10 mA bis 250 mA
- Geringer Ruhestrom beim Laden: IIN = 4 µA
- Extrem geringe Batterieentladung, wenn abgeschaltet oder geladen: IBAT < 0,01 µA
- Automatisches Wiederaufladen
- Eingangsspannungsregelung für Quellen mit hoher Impedanz
- Thermische Regelung maximiert den Ausgangsstrom ohne Überhitzen
- Konstante Spannungsrückkopplung mit ± 0,5% Toleranz
- NTC-Thermistoreingang für temperaturqualifiziertes Laden
- Einstellbarer Sicherheits-Timer
- Ladezustandsanzeige
- Thermisch verbessertes DFN-Gehäuse (3 mm x 3 mm) mit 10 Pins