Switched-Capacitor-Ladesystem Smartphones blitzschnell laden

Schneller laden und länger halten sind die Anforderungen an die Akkus der Smartphones. Möglich wird das mit dem Switched-Capacitor-Ladesystem.
Akkus von Smartphones müssen heute immer mehr leisten.

Schon ein paar Stunden ohne Smartphone können für manchen unerträglich sein. Kein Wunder, dass die Anforderungen an die Akkus immer größer werden: Sie sollen länger halten und schnell aufgeladen werden. Möglich wird das mit dem Switched-Capacitor-Ladesystem.

Smartphones sollen nach Möglichkeit immer länger mit einer Akkuladung auskommen und gleichzeitig soll das Aufladen immer schneller gehen. Das hat zur Folge, dass Smartphone-Akkus stetig größer werden und dass die Laderaten weiter steigen. Ein 3000-mAh-Akku muss für das Laden mit 6 A geeignet sein. Doch wenn mit derart hohen Strömen geladen werden soll, kommen der Wirkungsgrad des Ladegeräts und die Verlustleistung als begrenzende Faktoren ins Spiel. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Entwicklung hin zu immer schnelleren Ladelösungen.

Durch die Einführung von USB PD und PPS ist das sichere und schnelle Laden von Smartphone-Akkus hoher Kapazität mit einem aktuellen Switched-Capacitor-Ladesystem möglich. Um einen Akku von hoher Kapazität mit einem hohen Ladestrom laden zu können, gilt es mehrere Herausforderungen zu bewältigen, für die die Switched-Capacitor-Architektur Lösungen bereithält.

In Bild 1 sind die wichtigsten Verluste zusammengefasst, die in einem typischen Ladesystem für Smartphones mit kapazitätsstarkem Akku auftreten.

Durch Verringern des im Kabel fließenden Stroms werden die I²R-Verluste in RConA, RCable, RConD und RControl reduziert. Der Wirkungsgrad η des Wandlers muss hoch sein, damit die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung nicht zu sehr ansteigen. Wichtig ist es, den Widerstand des Akku-Anschlusses RConB zu minimieren, denn dort fließt ein doppelt so hoher Strom wie im USB-Kabel.

 

Schutzfunktionen sorgen dafür, dass das Ladesystem alle wichtigen Systemaspekte in Bezug auf Überspannung, Überstrom und Temperatur überwachen kann. Sämtliche USB-Typ-C-Kabel müssen für mindestens 3 A bei 20 V geeignet sein, jedoch verkraften teurere, für höhere Leistungen ausgelegte Versionen bis zu 5 A bei 20 V.

Die Switched-Capacitor-Architektur macht es möglich, den Akku mit einem hohen Strom zu laden, während der Strom im USB-Kabel und damit auch der Spannungsabfall gering gehalten werden. So lässt sich mit einem standardmäßigen, für 3 A geeigneten USB-Typ-C-Kabel ein Ladestrom von 6 A erzielen (mit einem 5-A-Kabel sogar 10 A), wenn Switched-Capacitor-Lösungen parallelgeschaltet werden.

Architektur eines Switched-Capacitor-Ladesystems

Ein typisches Ladesystem auf der Basis eines Buck-Wandlers kann bei 6 A einen Wirkungsgrad von mehr als 90 % erzielen. Dabei fällt allerdings im Smartphone eine Verlustleistung von mehr als 2 W an. Das typische Wärmebudget für ein Smartphone erlaubt jedoch weniger als 1 W Verlustleistung. Bei einer Direkt-Ladelösung wie dem bq25870 sind die Verluste im Smartphone zwar geringer, aber der im Kabel fließende Strom und der Ladestrom sind dann gleich hoch.

Eine Switched-Capacitor-Ladelösung kann einen Wirkungsgrad von bis zu 97 % erreichen und den Akku mit 6 A laden, wobei im USB-Typ-C-Kabel nur 3 A fließen. Das Resultat ist eine Verlustleistung von weniger als 800 mW im Telefon und eine Stromstärke im standardmäßigen USB-Typ-C-Kabel von weniger als 3 A.

Die Switched-Capacitor-Ladeschaltung nutzt ein intelligentes Steckernetzteil zum Regeln der Spannung und des Stroms am Eingang des Ladesystems. Das Protokoll USB PD PPS erlaubt einen »Sink-Directed Source Output« (also eine Regelung des Quellen-Ausgangs durch die Senke). In diesem Fall handelt es sich bei der Senke um das Smartphone und bei der Quelle um das Steckernetzteil. Solange sich das Steckernetzteil nicht im Current-Foldback-Modus befindet, bestimmt das Telefon seine Ausgangsspannung in 20-mV-Schritten, sodass es als strombegrenzte Spannungsquelle fungiert. Wechselt das Steckernetzteil in den Current-Foldback-Modus, hält es die Spannung, während das Smartphone den Ausgangsstrom in 50-mA-Schritten regelt. Wie leistungsfähig die Switched-Capacitor-Lösung ist, hängt von der Art der verwendeten Quelle ab.

Bilder: 3

Architektur eines Switched-Capacitor-Ladesystems, Bilder 2-4

Architektur eines Switched-Capacitor-Ladesystems, Bilder 2-4

In der Ladephase t1 sind Q1 und Q3 eingeschaltet, während Q2 und Q4 abgeschaltet sind. Dadurch wird CFLY mit dem Akku in Reihe geschaltet, sodass CFLY geladen wird, während gleichzeitig Strom in den Akku fließt. Für die Entladephase t2 werden Q1 und Q3 abgeschaltet, Q2 und Q4 dagegen eingeschaltet. Während dieser Zeit ist der Kondensator CFLY mit dem Akku parallelgeschaltet und versorgt ihn mit Ladestrom.

Das Tastverhältnis beträgt 50 %, die Akkuspannung ist halb so hoch wie die Eingangsspannung und der in den Akku fließende Strom ist doppelt so hoch wie der Eingangsstrom. Bild 3 gibt die Verläufe des Akkustroms und der Akkuspannung während t1 und t2 wieder. Die Abbildung demonstriert den effektiven Serienwiderstand des fliegenden Kondensators und die Widerstände der Schalter.

Bei Verwendung einer Konstantstromquelle ist der Strom in CFLY konstant, während CFLY geladen wird. Kommt dagegen eine Konstantspannungsquelle zum Einsatz, folgt der Strom in CFLY der RC-Konstantenkurve (Bild 4). Auch wenn die Auswirkungen nicht signifikant sind, führt die Verwendung einer Spannungsquelle anstelle einer Konstantstromquelle zu einer erhöhten Stromwelligkeit, einem höheren RMS-Strom und einer Beeinträchtigung des Wirkungsgrads infolge der höheren Leitungsverluste.

Leistungsfähigkeit

Die wichtigste Entscheidung beim Design eines Switched-Capacitor-Ladesystems betrifft die Wahl des CFLY-Kondensators. Pro Phase sind mindestens zwei CFLY-Kondensatoren erforderlich – vier wären optimal. Es können auch mehr CFLY-Kondensatoren eingesetzt werden, jedoch zahlt sich dies wegen der Mehrkosten und des zusätzlichen Platzbedarfs immer weniger aus.

Verwendet man weniger als vier CFLY-Kondensatoren, erhöht sich die Spannungs- und Stromwelligkeit, und auch die Belastung der einzelnen Kondensatoren nimmt zu. Die gesamte effektive Kapazität sollte im Interesse eines optimalen Wirkungsgrads mindestens 24 µF betragen.

Bei vier 22-µF-Kondensatoren mit 10 V Nennspannung erhält man eine Kapazität von 24 µF, wenn man das von der Vorspannung abhängige Derating der Keramik-Kondensatoren einkalkuliert. Ein Absenken der Schaltfrequenz kann den Wirkungsgrad verbessern, allerdings auf Kosten einer höheren Stromwelligkeit und einer erhöhten Belastung für die einzelnen Kondensatoren.

In den Bildern 5 und 6 ist der Wirkungsgrad des Switched-Capacitor-Akkuladers bq25970 dargestellt, wobei klar zu erkennen ist, wie sich die Zahl der Kondensatoren und die Schaltfrequenz auswirken.