Die immer beliebteren portablen elektronischen Geräte sind heute meist mit Li-Ion-Akkus aus einer oder mehreren Zellen ausgestattet und benötigen deshalb eine Ladeschaltung. Wegen der hohen Ladeströme beansprucht diese relativ viel Fläche, auch wenn sie als IC ausgeführt ist. Der Wunsch, den Flächenbedarf zu reduzieren, ist groß. Die im Folgenden vorgestellte Ladeschaltung mit parallelen Stromwegen begnügt sich mit weniger Fläche als konventionelle lineare Akkuladeschaltungen gleicher Verlustleistung mit seriellen Stromwegen.
Um die Geschwindigkeit, mit der ein Li-Ion-Akku geladen wird, zu erhöhen, kommt es darauf an, den Strom möglichst effizient auf den Akku und das System aufzuteilen. Dies geschieht im vorliegenden Fall mit einer adaptiven Schaltung, die den Ladestrom umgehend erhöht, sobald das System weniger Strom benötigt. Schließlich ist auch ein so genannter Power-Routing-Schalter vorhanden, der die geladene Batterie abtrennt, wenn das Netzteil eingesteckt ist und das System aus diesem versorgt werden kann. Die recht genaue Messung der Lade- und Entladeströme bei dieser Architektur ermöglicht schließlich die Implementierung einer Akku-Füllstandsanzeige.
Prinzip paralleler Stromwege
Konventionelle lineare Akkuladeschaltungen basieren auf einem seriellen Leistungsteil. Eine solche Lösung benötigt mehr Fläche als eine parallele Struktur, obwohl die Zahl der MOSFETs gleich ist. Warum dies so ist, lässt sich leicht erklären: Die Mindestgröße eines Leistungstransistors wird durch den Mindestwert der Drain-Source-Spannung Vdsbestimmt, die dem Transistor den Betrieb im linearen Bereich mit maximalem Drain-Source-Strom Idserlaubt.
Die minimale Drain-Source-Spannung an Mps1 Vds,Mps1beträgt VDC-VSYS. Deshalb muss Mps1 mindestens die folgende Größe haben:
Der zweite Leistungs-FET (Mps2) arbeitet mit einem maximalen Drain-Source-Strom, der gleich dem maximalen Akkuladestrom ist (Ids,Mps2=ICHG). Der minimale Spannungsabfall an Mps2 ist Vds,Mps2=VSYS-VTERM. Die Mindestgröße von Mps2 berechnet sich deshalb wie folgt:
In einer Struktur mit parallelen Stromwegen wird der maximale Ids-Wert von Mpp1 durch den maximalen Laststrom des Systems bestimmt (Ids=ISYS). Der minimale Vds-Wert hängt dagegen von der Systemspannung VSYSab und beträgt Vds=VDC-VSYS. Das System ist somit im Gegensatz zur seriellen Struktur nicht mehr von der Akkuspannung abhängig. Die erforderliche Mindestgröße von Mpp1 beträgt hier
Im Fall von Mpp2 beträgt der maximale Drain-Source-Strom Ids=ICHG, und der minimale Vds-Wert ist VDC-VTERM. Die Mindestgröße von Mpp2 ist deshalb
Wie man sieht, benötigen die beiden Leistungs-FETs der parallelen Struktur weniger Fläche als Mps1 der seriellen Lösung. Allerdings besteht bei der parallelen Struktur keine Verbindung zwischen Akku und System, obwohl das System aus der Batterie gespeist werden muss, wenn kein Ladegerät angesteckt ist. Deshalb kommt zusätzlich ein Power-Routing-Schalter zum Einsatz. Dieser ist am Ladevorgang nicht beteiligt und trennt lediglich den Akku vom System, wenn die Versorgung bei vollständig geladenem Akku aus dem Netz erfolgt. Selbstverständlich sollte dieser Schalter einen minimalen On-Widerstand aufweisen, um die Verluste bei Akkubetrieb zu minimieren.
Der erste der beiden parallelen Stromwege dient dem Laden des Akkus. Lineare Ladeschaltungen können in drei Betriebsarten arbeiten: im Konstantstrom-Modus (Constant Current, CC), im Konstantspannungs-Modus (Constant Voltage, CV) und im Temperaturregelungs-Modus, der Schutz vor Überhitzung bietet. Strom, Spannung und Temperatur beeinflussen die Ausgänge dreier Fehlerverstärker. Der CC-Fehlerverstärker steuert den ihm zugeordneten Leistungs-MOSFET an, wenn der vorgegebene Ladestrom fließt. Der CV-Fehlerverstärker treibt den ihm zugeordneten MOSFET, wenn der Akku die eingestellte Ladeschlussspannung erreicht, und der Temperatur-Fehlerverstärker aktiviert seinen MOSFET, wenn der Temperatursensor das Erreichen der zulässigen Maximaltemperatur meldet. In diesem Fall wird der Ladestrom langsam reduziert, bis die Temperatur zurückgeht.
Häufig werden in Ladegeräten PMOS-Transistoren als Leistungs-FETs eingesetzt, deren Größe vom Drain-Source-Widerstand bestimmt wird. Da der Rdsbei NMOS-Transistoren wegen der höheren Ladungsträger-Mobilität geringer ist als bei PMOS-Transistoren, ist die Fläche bei der ersteren geringer. In der hier beschriebenen Applikation ist die Flächenminimierung oberstes Gebot, und so kommt hier ein NMOS-Transistor zum Einsatz, angesteuert durch eine einfache Ladungspumpe.
Der zweite Stromweg für das System ist als Low-Dropout-Regler (LDO) implementiert. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Strombegrenzung sind hier höher, da zu hohe Ströme nicht nur das angeschlossene System, sondern auch das Steckernetzteil zerstören können. Aus diesem Grund wurde hier ein zusätzlicher Fehlerverstärker implementiert, der den NMOS-FET für den System-Teil bei Überlastung ansteuert.
Adaptive Stromaufteilung
Ladegeräte müssen nicht nur den Akku schützen, sondern auch das Steckernetzteil. Dieses kann nämlich leicht überlastet werden, da sich die Ströme für Akku und System wegen der parallelen Stromwege addieren (IIN=ISYS+ICHG). Der Strombedarf des Systems wird stark von dessen jeweiliger Betriebsart beeinflusst und kann vom Ladegerät nicht vorhergesagt werden. Man könnte den Ladestrom auf den Maximalwert bei Konstantstrom-Ladung und die System-Stromaufnahme auf IIN-ICHGbegrenzen, doch würde dies den Betrieb des angeschlossenen Systems beeinträchtigen. Um die Effizienz des Ladevorgangs zu steigern, ist hier eine adaptive Stromaufteilung implementiert, die den Ladestrom bei zunehmender Last sanft abregelt, damit das Steckernetzteil nicht überlastet wird.
Die meisten Smartphones auf dem heutigen Markt verfügen über eine Ladezustands-Anzeige, die auch Auskunft darüber gibt, ob der Akku frei von Defekten ist. Voraussetzung für diese Funktion ist eine präzise Messung des Lade- und Entladestroms, und die hier vorgeschlagene Architektur unterstützt dies auf zweierlei Weise. Die erste Methode bedient sich eines externen Abtastwiderstands, während die zweite einen Power-Routing-Schalter nutzt. Ein externer Widerstand hat gegenüber einem internen den Vorzug einer höheren Genauigkeit über den Temperaturbereich. Das Verfahren basiert darauf, dass ein kleiner Teil des über den externen Widerstand fließenden Stroms abgezweigt und gemessen wird. Die Messung selbst erfolgt mit einem Chopper-Verstärker, dessen Offsetspannung gering ist und der somit nur geringfügigen Einfluss auf die Gesamtgenauigkeit der Strommessung hat. Ein Widerstand erzeugt hierzu eine Spannung, die proportional zum Lade- bzw. Entladestrom ist. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der externe Widerstand zusätzliche Leiterplattenfläche belegt und die Gesamtkosten erhöht.
Um mehr Optionen bieten zu können, haben wir Schaltungen implementiert, mit denen sich der Strom im Power-Routing-Schalter messen lässt. Das Funktionsprinzip entspricht dem des Verfahrens mit einem externen Abtastwiderstand. Der kleine Teilstrom wird hier durch den PMOS-FET abgezweigt, dessen Strom-Spannungs-Charakteristik dem des Power-Routing-Schalters entspricht. Da dessen Kanalwiderstand jedoch extrem gering ist, fallen parasitäre Widerstände unter anderem infolge des Gehäuses so stark ins Gewicht, dass sie durch einen besonderen Metallwiderstand kompensiert werden müssen, damit es zu keinen Rückwirkungen auf die Genauigkeit kommt, mit der der Lade- und der Entladestrom gemessen werden.
Messergebnisse
Die lineare Akkuladeschaltung mit parallelen Stromwegen wurde in 0,18-CMOS-Technologie mit zwei Spannungsbereichen (5 und 28 V) hergestellt. Muster wurden auf eine Stromstärke von 750 mA getrimmt. Bei diesem Wert wird in einem Temperaturbereich von -40 bis 125 °C eine Genauigkeit von ±2 Prozent erzielt.
Die Stromaufteilung wurde mit unterschiedlichen Werten für den System-LDO-Strombegrenzer und den Batterieladestrom geprüft. Mit Messungen lässt sich nachweisen, dass der Ladestrom bei zunehmendem Laststrom immer weiter abgeregelt wird, damit der Eingangsstrom nicht über den zulässigen Höchstwert ansteigt. Die Genauigkeit, mit der der Eingangsstrom in diesem Current-Sharing-Modus geregelt wird, beträgt ±2,5 Prozent (von -40 bis 125 °C).
Fazit
Gegenstand des hier vorgestellten Designprojekts war eine Ladeschaltung für Li-Ion-Akkus, die bei gleicher Verlustleistung wie eine konventionelle lineare Lösung weniger Halbleiterfläche benötigt. Die Flächenreduzierung gelang durch die Implementierung paralleler Stromwege auf der Basis von NMOS-Leistungs-FETs. Die Effizienz, mit der der Akku ge- und entladen wird, ließ sich mit einem Power-Routing-Schalter und einer Stromaufteilungs-Schaltung steigern. Gleichsam als Nebenprodukt wurde eine recht präzise arbeitende Schaltung zum Messen des Lade- und Entladestroms realisiert, die mit einer externen Ladezustands-Anzeige kombiniert werden kann und die Voraussetzungen schafft, das Batteriemanagement des betreffenden tragbaren Geräts zu verbessern.
