Lade-ICs müssen mehreren Trends gerecht werden

Auch höhere Akku-Kapazitäten aus vielfältigen Quellen laden

Der ideale Akku enthält mindestens die elektrische Energie, die ein tragbares Gerät bis zum nächsten Ladevorgang benötigt - und nimmt diese beim Laden aus einer beliebigen Quelle auch so rasch wieder auf, dass der Anwender nicht warten muss. Diesem Ideal kann man mit passenden Lade-ICs ein Stück weit näher kommen.

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Die Anwendungen für die Stromversorgung von tragbaren und anderen batteriebetriebenen Geräten sind ebenso vielfältig wie unterschiedlich. Halbleiterhersteller müssen hierauf mit neuartigen Lade-IC-Designs reagieren.

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Die Anwendungen für die Stromversorgung von tragbaren und anderen batteriebetriebenen Geräten sind ebenso vielfältig wie unterschiedlich. Halbleiterhersteller müssen hierauf mit neuartigen Lade-IC-Designs reagieren.

Die Anwendungen für die Stromversorgung von tragbaren und anderen batteriebetriebenen Geräten sind ebenso vielfältig wie unterschiedlich. Solche Produkte reichen von drahtlosen Sensorknoten, die durchschnittlich eine Leistung im Bereich von wenigen Mikrowatt konsumieren, bis hin zu auf Wagen eingesetzten medizinischen Geräten oder Datenerfassungssystemen, die aus Batterien mit einer Kapazität von mehreren Hundert Wattstunden versorgt werden. Dennoch: Trotz dieser Unterschiede gibt es auch mindestens zwei gemeinsame Trends:

Der erste Trend erfordert eine gesteigerte Batteriekapazität. Unglücklicherweise sind die Anwender häufig ungeduldig und diese gesteigerte Kapazität muss in angemessenen Zeitspannen wieder geladen werden, was zu erhöhten Ladeströmen führt. Der zweite Trend erfordert eine extrem hohe Flexibilität vom Batterieladesystem. Anhand zweier Lade-ICs rückt dieser Artikel praktische Lösungsansätze in den Blickpunkt.


Steigender Energiebedarf

Betrachtet man moderne Handheldgeräte, können diese in Gestalt von Konsumelektronikprodukten wie auch industriell eingesetzten Geräten ein Mobiltelefon-Modem, ein WiFi-Modul, ein Bluetooth-Modul, ein großes Display mit Hintergrundbeleuchtung und ähnliches enthalten - und diese Liste ließe sich noch weiter fortsetzen. Die Stromversorgungsarchitektur vieler dieser Handheldgeräte spiegelt das Mobiltelefon beispielhaft wider. Üblicherweise wird eine 3,7-V-Li-Ionen-Batterie wegen ihrer hohen gravimetrischen Energiedichte (in Wh/kg ausgedrückt) und volumetrischen Energiedichte (in Wh/m³ ausgedrückt) als primäre Stromquelle verwendet.

In der Vergangenheit benutzten viele Geräte mit hohem Strombedarf eine 7,4-V-Li-Ionen-Quelle, um die Anforderungen an den hohen Strombedarf zu reduzieren, aber die Verfügbarkeit von preiswerten 5-V-Power-Management-ICs hat dazu geführt, dass immer mehr Handheldgeräte für diese geringere Spannung ausgelegt wurden. Der Tablet-Computer illustriert dies deutlich - ein Tablet-PC enthält umfangreiche Funktionen zusammen mit einem (für ein tragbares Gerät) sehr großen Bildschirm. Wenn er aus einer 3,7-V-Batterie versorgt wird, muss die Kapazität in mehreren Ampere-Stunden bemessen werden. Um eine solche Batterie in wenigen Stunden wieder zu laden, ist ein Ladestrom von mehreren Ampere nötig

Dieser hohe Ladestrom verhindert jedoch nicht, dass die Anwender es sich wünschen, ihre stromhungrigen Geräte über einen USB-Port zu laden, wenn gerade kein Netzteil verfügbar ist. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss ein Batterieladebaustein in der Lage sein, mit hohem Strom (mehr als 2 A) zu laden, wenn ein solches Netzladegerät verfügbar ist, aber auch die 2,5 bis 4,4 W aus einem USB-Port nutzen zu können. Darüber hinaus muss der Baustein die empfindlichen nachgelagerten Niederspannungs-Komponenten vor Überspannungsspitzen, die potenziell eine Zerstörung verursachen können, schützen. Außerdem muss er hohe Ströme aus einem USB-Eingang, einem Netzteil oder der Batterie direkt an die Last weiterleiten und dabei die Verlustleitung minimieren. Gleichzeitig muss der IC den Batterielade-Algorithmus sicher handhaben und kritische Systemparameter überwachen können.

1. Teil: Auch höhere Akku-Kapazitäten aus vielfältigen Quellen laden
2. Teil: Leistungsbeschränkungen von Portablen Geräten mit nur einer Batterie aufheben
3. Teil: Mehrfache Eingangsquellen, auch solche mit mehr als 30 V

Weiterführende Links:

• Linear Technology zeigt den Königsweg zurück zum LDO: Viel Strom aus wenig Spannung
• Linear Technology stellt verbesserten Überwachungs-IC vor: Hochspannungsbatterien auf Zellenebene präzise analysieren
• Alle Parameter im Griff: Digitales Power-Management mit dem LTC3880
• Call for Papers: 19. Entwicklerforum Batterien & Ladekonzepte 2012