In portablen Geräten steuert normalerweise ein interner Lade-IC das Laden des Akkus. Bei einem Lithium-Ionen-Akku gibt er zunächst einen konstanten Strom ab und danach eine konstante Spannung. Heute setzen diese ICs üblicherweise optimierte Laderoutinen ein und implementieren dabei eine dynamische Stromverteilung.

In der Vergangenheit hat man die Stromverteilung bei akkubetriebenen Geräte auf verschiedene Weise umgesetzt. Mit dem effizientesten Aufbau erzielt man die beste Nutzererfahrung bei maximaler Akkuschonung.

Dieser Beitrag beschreibt die Funktionsweise einer optimalen Stromverteilung und zeigt, wie man das Verfahren in einer hochintegrierten Stromsteuereinheit (PMU, Power Management Unit) umsetzen kann. Mit ihr kann man Stromversorgung und Akkuladung in Geräten wie etwa E-Book-Readern, Tablets und Mediaplayern platzsparend lösen.

Grundlegende Anforderungen an eine Ladeschaltung

Das Laden eines Akkus ist zunächst einmal einfach: Wird das betreffende Gerät an einen USB-Port oder an ein Netzteil angeschlossen, beginnt der Ladevorgang. Mit dem Einstecken wacht das Gerät typischerweise auf, es zieht dann Leistung aus der externen Quelle und speist damit das System und die interne Ladeschaltung.

Der Strom zur Versorgung des Systems wird dabei nicht aus dem Akku entnommen, der gerade geladen wird, sondern direkt aus der Stromquelle. Das hält die Zahl der Ladezyklen klein, schließlich zehrt jeder Lade- und Entladevorgang an der Lebenszeit des Akkus. Mit der Zahl der Lade- und Entladezyklen wird jeder Lithium-Ionen-Akku immer schwächer und fällt schließlich aus. Vermeidet man also eine unnötige Stromentnahme aus dem Akku, indem man beim Vorhandensein einer externen Stromquelle das System ohne Beteiligung des Akkus speist, verlängert dies das Leben des Akkus.

Das Gerät wird unabhängig vom Akku mit Strom versorgt

Ein weiterer Vorteil dieser Stromverteilung liegt darin, dass die Stromversorgung des Geräts unabhängig vom Akku erfolgt. Das Gerät startet auch mit leerem Akku sofort, ohne dass der Anwender warten muss, bis der Akku Spannung aufgebaut hat.

Im einfachsten Fall trennt eine Diode den Akku von der Systemstromversorgung, eine weitere Diode versorgt das System um den Akku herum (Bild 1). Die beiden Dioden bilden zusammen ein logisches ODER. Damit startet das System sofort, wenn es an eine externe Spannungsversorgung angeschlossen wird, derweil wird der Akku geladen und kann Spannung aufbauen. Diese einfache Schaltung hat aber verschiedene Nachteile. Der größte Nachteil ist der Spannungsabfall an den Schottky-Dioden, besonders nachteilig dabei ist der Leistungsverlust an D2, der bei Akkubetrieb auftritt. In diesem Fall geht an D2 Akkuleistung verloren.

Strom für das Gerät und zum Akku-Laden

Ein zweiter, weniger offensichtlicher Nachteil ist, dass die Ladeschaltung den Akku lädt, ohne dabei zu beachten, dass das Gerät selbst mit Strom versorgt werden möchte. Ist die Schaltung an einen normalen USB-Port angeschlossen, der gerade mal 500 mA Strom liefern kann, beansprucht die Ladeschaltung eventuell den ganzen Strom für sich und lässt für das System nichts mehr übrig. Schlimmer noch will die Ladeschaltung eventuell mehr als 500 mA Strom aus dem USB-Port ziehen und verletzt damit die USB-Spezifikation.

Ein MOSFET ersetzt die beiden Dioden

Ersetzt man die Dioden in Bild 1 durch einen MOSFET (M1 in Bild 2), ist das ein Schritt in die richtige Richtung. In diesem Fall sorgt der MOSFET für eine niederohmige Verbindung zwischen Akku und angeschlossenem Gerät, das ermöglicht sowohl ein Laden des Akkus als auch das unmittelbare Einschalten des Geräts, wenn die Spannungsquelle entfernt wird.

Braucht das System mehr Strom, als die Stromquelle liefern kann, kann der Akku über den PowerPath-FET die Differenz dazu liefern. Nachdem D1 nun nicht mehr vorhanden ist, kann der Lade-IC intern für eine Strombegrenzung sorgen und somit verhindern, dass der USB-Port überlastet wird.

Ein zweites Problem bleibt aber noch ungelöst: Die Strombegrenzung verhindert zwar die Überlastung des USB-Ports, aber sie verteilt den Strom nicht zwischen System und Batterieladung. Der Anwender wird normalerweise die volle Systemleistung wünschen und dafür eine verlängerte Ladezeit in Kauf nehmen, statt zu akzeptieren, dass sein System nicht genügend Speiseleistung bekommt, damit der Akku möglichst schnell geladen wird.

Um dieses Problem anzugehen, braucht man eine dynamische Stromverteilung, die den Ladestrom so steuert, dass die Leistungsfähigkeit der Quelle und der Strombedarf des angeschlossenen Systems berücksichtigt werden. Ziel dabei ist die volle Systemleistung bei externer Stromversorgung bei gleichzeitig minimaler Nutzung des Akkus in dieser Zeit.

Ein externer und ein interner MOSFET im Akkustrompfad

Die Schaltung in Bild 3 arbeitet sowohl mit einem externen als auch einem internen MOSFET im Akkustrompfad. Dieser Aufbau bietet dynamische Leistungsverteilung.

Der externe MOSFET ist optional: Anwendungen mit hohem Strombedarf (bei denen viel Wärme abgeleitet werden muss), profitieren von einem externen Schaltelement. Wenn die Ladeschaltung abgeschaltet ist, versorgt der Akku das angeschlossen Gerät komplett selbst.

Ein Vorregler versorgt Ladeschaltung und System

Bild 4 zeigt, wie beim Anschluss an eine externe Stromquelle Ladeschaltung und System über einen Vorregler versorgt werden. Sowohl dessen Ausgangsspannung als auch sein Maximalstrom können konfiguriert werden.

Steigt der Strombedarf des Systems, sinkt der Ladestrom automatisch, damit der im Vorregler eingestellte Maximalstrom nicht überschritten wird, man erzielt so also eine dynamische Stromverteilung.

Bei vollem Akku wird das System komplett über den Vorregler versorgt

Ist der Akku voll geladen, öffnet sich der Akkuschalter in Bild 5. Das System wird nun komplett über den Vorregler versorgt, aus dem Akku wird somit kein Strom entnommen, was dessen Lebensdauer verlängert. Überschreitet der Strombedarf des Systems (rot) den eingestellten Maximalstrom der externen Quelle kann der Akku zusätzlich Strom (gelb) über die PowerPath-FETs liefern („battery switch + ideal diode“ in Bild 5). Ist der programmierte Maximalstrom erreicht, sinkt VSUP_CHG minimal unter die Akkuspannung, so dass Strom aus dem Akku ins System fließen kann. Der Maximalstrom der externen Stromquelle wird aber nicht überschritten, so dass die Stromquelle nicht überlastet wird.

Integration einer dynamischen Stromsteuerung in eine PMU

In portabler Consumer-Elektronik, etwa in Tablets, ist Platz absolute Mangelware. Daher ist die Stromversorgung solcher Geräte meist mit einem Power Management IC (PMIC) aufgebaut, das die notwendigen Gleichspannungswandler in einem IC vereint.

Zur Vereinfachung des Designs der Stromversorgung und zur Platzersparnis wäre zu wünschen, dass die Ladeschaltung in diesen PMIC integriert ist. Aber wo bleibt dann die dynamische Stromsteuerung, wie sie oben beschrieben ist?

 

Dynamische Stromsteuerung mit einem PMIC

Bild 7 zeigt den optimalen Aufbau für die Implementation einer dynamischen Stromsteuerung mit einem AS3711, einem PMIC von ams für tragbare Geräte wie etwa Mediaplayer und Tablets. Der AS3711 verfügt über zwei Abwärtswandler mit 1 A, einen Abwärtswandler mit 1,5 A, einen Abwärtswandler mit 3 A, acht LDOs, zwei Aufwärtswandler und einen geschalteten Laderegler mit 1,5 A – und das alles in einem Gehäuse von 7 mm x 7 mm.

Ein Laderegler auf der Basis eines Schaltreglers lädt einen Akku effizienter als die üblicherweise eingesetzte lineare Ladeschaltung. Er braucht daher weniger Strom, so dass mehr vom Speisestrom für das angeschlossene System übrig bleibt (das von VSUP versorgt wird). Die höhere Effizienz des Schaltreglers senkt auch die thermische Verlustleistung während der Batterieladung. Der AS3711 bietet darüber hinaus einen Überspannungsschutz bis 30 V und einen strombegrenzenden Vorregler, der auf 16 unterschiedliche Stromwerte zwischen 0,1 und 2,5 A programmiert werden kann. Weiterhin ist die Spannung auf der VSUP_CHG-Schiene konfigurierbar.

PMIC mit integrierter Ladeschaltung spart Platz und Kosten

Setzt man ein PMIC mit einer integrierten Ladeschaltung ein, spart man Platz und Kosten eines separaten Lade-ICs. Weiterhin können alle Spannungen und der komplette Ladevorgang mit nur einem Registersatz eingestellt und überwacht werden. Über die grafische Benutzerschnittstelle des AS3711 kann man die Ladeschaltung des PMIC sowie die anderen Funktionsblöcke extrem einfach konfigurieren (siehe Bild 8). Man kann alle Funktionsblöcke von Bild 7 über diese GUI programmieren, wobei Erhaltungsladung, Konstantstromladung, Konstantspannungsladung, Zeit, Auszeit, Temperaturüberwachung, Strombegrenzung und Erkennung externer Überspannung konfigurierbar sind. Weiterhin besteht die Wahl zwischen linearem und geschaltetem Akkuladeverfahren.

Prinzipielle Vorteile durch Einsatz eines PMICs

Der vorliegende Artikel hat gezeigt, dass dynamische Stromsteuerung den Akku schont und für eine optimale Systemleistung sorgt, wenn das Gerät an eine externe Stromversorgung angeschlossen ist.

Sie kann weiterhin den Akku als zusätzliche Stromquelle nutzen, wenn das System mehr Strom braucht, als die externe Quelle liefern kann. Somit kann man ein Netzteil kleiner dimenisionieren, was Kosten spart. Es muss ja nur die Akkuladung abdecken können, nicht aber gleichzeitig den Spitzenbedarf des Systems.

All diese Vorteile haben Anwender der neuesten PMICs für portable Geräte, wenn sie den Aufbau umsetzen, wie er oben am Beispiel des AS3711 dargestellt wurde. Dieser IC bietet ein effizientes Mittel dafür, den Ladestrom dynamisch an den Strombedarf des Systems anzupassen.

Die Implementierung einer dynamischen Stromsteuerung über ein PMIC bringt zusätzlich folgende Vorteile:

• Platzersparnis, weil ein externer Lade-IC eingespart wird,
• einfache Steuerung aller Spannungen per Software, einschließlich der Ladespannung,
• vereinfachte Stromsteuerung über den PMIC, der Eingangsspannung, Akkuspannung, Systemspeisespannung und alle anderen Spannungen überwacht und intelligente Systeminterrupts generiert und automatisch handhabt.