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© linear technology Application Notes | 04 September 2015

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.
Eine neue lineare Ladelösung Es ist klar, dass eine Ladelösung mit einem IC mit linearer Topologie, die die Anforderungen dieser Anwendungen erfüllt und die damit zusammenhängenden Probleme löst, die bereits diskutiert wurden, viele der folgenden Attribute besitzen muss:
  • 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
Glücklicherweise hat der kürzlich von Linear Technology vorgestellte lineare Batterieladebaustein LTC4079 bereits die meisten dieser Attribute. Der LTC4079 ist ein 60-V-/250-mA-Batterieladebaustein mit Konstantstrom-/Konstantspannungs-Modus und geringem Ruhestrom (nur 4 µA beim Laden) und eignet sich zum Laden von Batterien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen. Seine lineare Topologie erlaubt ein einfaches Spulenloses Design und akzeptiert Eingangspannungen im weiten Bereich von 2,7 V bis 60 V. Ein über Widerstand programmierbarer Batterieladespannungsbereich zwischen 2,7 V und 60 V mit enger ± 0,5% Spannungstoleranz und einem internen einstellbaren Ladeabschluss macht den LTC4079 für unterschiedliche Batteriearten geeignet, wie Li-Ionen/Polymer, Li-Eisen-Phosphat (LiFePO4), Nickel und Bleisäure. Der Ladestrom ist über einen externen Widerstand zwischen 10 mA bis 250 mA einstellbar und im Gegensatz zu Wettbewerbsprodukten behält der Baustein seine hohe Genauigkeit auch bei kleinen Strömen bei. Obwohl ein dreistufiges Laden von Bleisäurebatterien mit einigen wenigen externen Komponenten möglich ist, eignet sich der LTC4079 durch den relativ geringen Ladestrom besser für die Erhaltungsladung von Bleisäurebatterien. Da keine schnellen Nickel-Abschlussalgorithmen implementiert sind, sollten Nickel-Batterien mit dem LTC4079 auch nur mit Erhaltungsladung geladen werden. Anwendungen sind eingebettete Automobil- und industrielle Systeme, das Laden von Backup-Batterien, Energieernte-Applikationen und Produkte, die auf Dünnfilmbatterien basieren. Die Eingangsspannungsregelfunktion des LTC4079 kann den IN-Pin auf eine konstante Spannung oder eine konstante Differenzspannung über der Batteriespannung regeln. Diese Eigenschaft kann dazu benutzt werden, zu verhindern, dass die Eingangsspannung einer strombegrenzten Eingangsquelle, wie eine schwache Batterie oder eine Solarzelle, unterhalb der UVLO-Spannung (undervoltage lockout) zusammenbricht. Der Ladestrom wird reduziert, wenn die Eingangsspannung auf die programmierte Schaltschwelle abfällt. Dieser Regelmechanismus erlaubt es, den Ladestrom nach den Anforderungen der Batterie auszuwählen und der LTC4079 sich dabei um Situationen kümmert, in denen die Eingangsquelle nicht den vollen programmierten Ladestrom liefern kann.
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
Laden von Solarzelle – Eingangsspannungsregelung & Differenz-Spannungsregelung Das Laden über Solarzellen wird immer beliebter für eine Vielzahl unterschiedlicher Batteriearten, wobei aber Li-Ionen/Polymer/Phosphat und Bleisäure die populärsten sind. Die Spannungsregelung des LTC4079 kann alle diese Batteriearten problemlos handhaben. Das IC kann eine Konstantspannung am IN-Pin regeln, wenn aus einer strombegrenzten Quelle, wie einer schwachen Batterie oder einer Solarzelle geladen wird. Diese Eigenschaft kann benutzt werden, um zu verhindern, dass die Eingangsspannung unter den UVLO einbricht, oder um die Eingangsquellspannung am maximalen Punkt zu halten. Der Ladestrom wird reduziert, wenn die Eingangsspannung auf den Schwellwert fällt, der von einem externen Widerstandsteiler eingestellt wird, der zwischen der Versorgungsquelle und dem EN-Pin sowie Masse, wie in Bild 3 dargestellt, angeordnet ist. Der Schwellwert der Eingangsspannungsregelung VIN(REG) wird berechnet wie folgt: Dieser Regelmechanismus erlaubt es den Ladestrom gemäß den Anforderungen der Batterie und der maximalen Leistung, die von der Ladequelle geliefert wird, einzustellen. Der LTC4079 reduziert den Ladestrom automatisch, wenn die Eingangsquelle den programmierten Ladestrom nicht mehr liefern kann. Die Differenzspannungsregelung des LTC4079 (VIN-VBAT) bietet eine zusätzliche Methode, die Eingangsspannung vor einem Zusammenbrechen zu bewahren, wenn die Versorgungsleistung aus einer schwachen Quelle kommt. Wenn die Eingangsspannung nahe an die Batteriespannung abfällt, hält die differenzielle Spannungsregelschleife des LTC4079 diese um 160 mV (typischer Wert) über der Batteriespannung, indem der Ladestrom reduziert wird, wenn sich die Differenzspannung von Eingangs- zu Batteriespannung verringert. In beiden genannten Regelungsmethoden muss die Eingangsquelle mindestens den Ruhestrom des Bausteins liefern, um ULVO zu verhindern. Der Lade-Timer pausiert, wann immer der Ladestrom wegen der Bedingungen bei der Eingangsspannungsregelung oder Differenzspannungsregelung reduziert ist. Nickel-Batterien aufladen Das Design des LTC4079 kann auch Nickel-Batterien handhaben. Bei den chemischen Zusammensetzungen von Nickel-Batterien z.B. Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Metall-Hybrid (NiMH), muss man die Möglichkeit des Überladens beachten. Eine übliche Methode ist es, die Batterie über lange Zeiträume und geringen Strömen nur mit Erhaltungsladung zu versorgen. Da NiCd- und NiMH-Batterien eine C/300-Ladung praktisch unendlich aufnehmen können, ist kürzeres Laden mit einem Algorithmus, der die Ladezeit begrenzt, möglich. Es ist empfehlenswert, die Batterie auf nicht mehr als 125% ihrer Kapazität zu laden. Eine 1000-mAh-NiMH-Batterie kann z.B. mit einem Ladestrom von 100 mA für zwölf bis 14 Stunden geladen werden. Die Konstantspannungsregelung lässt den Ladestrom sicher auf nahezu Null sinken, wenn die Batterie ihre volle Kapazität erreicht. Zusammenfassung Der LTC4079 bietet, was bisher noch kein linearer Batterieladebaustein konnte. Die weiten Eingangs- und Ladespannungsbereiche des Bausteins, der Betrieb mit unterschiedlichen Batteriearten und Solarzellen, extrem geringer Ruhestrom sowohl beim Laden als auch bei Ladeabschluss, seine kompakten Ausmaße erlauben es, dieser einfachen Lösung eine hohe Leistungsfähigkeit in fortschrittlichen Applikationen bereitzustellen, in denen bisher nur wesentlich kompliziertere, auf Schaltreglern basierte Topologien die einzige Option waren. ----- Von Steve Knoth, Senior Product Marketing Engineer, Power Products, © Linear Technology Corporation
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2019.10.11 15:09 V14.5.0-1