Große LiFePO4-Zellen laden

Die Entwickler tragbarer medizintechnischer Geräte haben eine extrem anspruchsvolle Aufgabe - besonders, wenn es um die Stromversorgung geht. Die Konsumenten fordern ständig mehr Funktionen, die mehr Leistung erfordern und damit größere Batterien oder Akkus. Diese aus jeder erdenklichen verfügbaren Stromquelle laden zu können, ist wünschenswert. Wegen ihrer inhärenten Sicherheit, der geringen Schwebespannung, der längeren Betriebsdauer, der geringen Selbstentladung und des relativ geringen Gewichts eignen sich LiFePO4-Zellen sehr gut für tragbare Systeme. Aber wie jede wieder aufladbare Batterie sind sie mit Sorgfalt zu behandeln.

Einer der Haupttrends in der Krankenpflege ist der steigende Einsatz von Fernüberwachungssystemen in den Wohnungen der Patienten. Der Grund hierfür ist offensichtlich: Die Kosten für einen stationären Aufenthalt des Patienten in einem Krankenhaus steigen stetig. Als Ergebnis enthalten viele der portablen elektronischen Überwachungssysteme HF-Sender, um die Daten direkt zurück an eine Überwachungsanlage im Hospital zur Bewertung und Analyse zu senden.

In der Regel werden diese Systeme von der Netzversorgung, einer Batterie beziehungsweise einem Akku oder von beidem gespeist. Diese Redundanz ist notwendig, um einen kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen, wenn sie an einem Ort außerhalb des Gebäudes verwendet werden. Weiterhin enthalten viele moderne tragbare medizinische Diagnosegeräte für Ärzte und Krankenschwestern einen Akku. Diese wird entweder als Hauptstromversorgung oder als Backup benutzt.

Alle diese Systeme benötigen eine effiziente Akkuladeschaltung. Derartige Anwendungen nutzen einen einzelligen Akku mit hoher Kapazität, um die Maße und das Gewicht des Gesamtsystems zu verringern. Zellen auf Lithiumbasis sind dazu die populärste Wahl. Zwar lassen sie sich schnell, exakt und sicher laden, dies ist allerdings alles andere als trivial.

Darüber hinaus werden ständig weitere, neue chemische Anoden-/Kathodenkombinationen entwickelt und auf den Markt gebracht. Als Folge davon werden in vielen Anwendungen verstärkt Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePO₄) eingesetzt, die eine längere und sicherere Betriebsdauer aufweisen, als auf Kobalt basierende Li-Ionen/Polymer-Zellen. Diese neue Chemikalienkombination besitzt auch viele der Vorteile der auf Kobalt basierenden Li-Ionen-Akkus, wie eine geringe Selbstentladung und ein relativ geringes Gewicht.

Neben der höheren Sicherheit (die Zellen gehen nicht so leicht thermisch durch) und der längeren Betriebszeit bietet LiFePO₄ eine höhere Spitzennennleistung und ist umweltfreundlicher als konkurrierende Akkusysteme. Aus diesen Gründen ist man in medizinischen Applikationen häufig gewillt, die kleinere volumetrische Energie-dichte von LiFePO₄ zu akzeptieren. Back-up-Applikationen benötigen die längere Betriebsdauer und nutzen häufig die Vorteile der Möglichkeit, hohe Ströme zu entladen.

Wie erreicht man eine höhere Leistung?

Die Power-Architektur vieler medizinischer Handheld-Geräte ähnelt der von Smartphones mit großem Display. Typischerweise wird ein Li-Ionen-Akku mit 3,7 V (4,2 V Lade-schluss- und Ladeerhaltungsspannung) wegen seiner hohen gravimetrischen (Wh/kg) und volumetrischen Energiedichte (Wh/m³) als Hauptstromversorgung eingesetzt.

In der Vergangenheit nutzten viele Geräte, die eine hohe Leistung benötigten, einen zweizelligen 7,4-V-Li-Ionen-Akku (8,4 V Ladeschluss- und Ladeerhaltungsspannung), um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Die Verfügbarkeit von preisgünstigen 5-V-Power-Management-ICs hat aber dazu geführt, dass immer mehr Handheld-Geräte die Architektur mit geringeren Spannungen nutzten, um einzellige Li-Ionen-Akkus verwenden zu können.

Ein typisches Gerät besitzt einen signifikanten Funktionsumfang und einen für tragbare Geräte großen Bildschirm. Wenn es mit einem 3,7-V-Akku versorgt wird, muss die Kapazität Tausende von Milliamperestunden betragen. Einen solchen Akku in wenigen Stunden oder kürzer zu laden, erfordert einen Ladestrom von mehreren Ampere. Dieser hohe Ladestrom verhindert jedoch nicht, dass die Anwender ihre Geräte mit hoher Versorgungsleistung auch über den USB-Port aufladen wollen, wenn kein Netzteil vorhanden ist.

Um diese Anforderung zu erfüllen, muss ein Batterielader in der Lage sein, mit hohem Strom (über 2 A) zu laden, wenn ein Netzteil vorhanden ist, aber dennoch auch effizient die 2,5 W bis 4,5 W zu nutzen, die ein USB-Port liefert. Außerdem muss das Produkt die empfindlichen nachgeschalteten Komponenten mit kleinerer Versorgungsspannung vor Überspannungen schützen, die potenziell Zerstörung verursachen, und die hohen Ströme aus dem USB-Port, einem Netzteil oder dem Akku effektiv direkt zur Last leiten, um Verluste durch Wärme zu vermeiden. Gleichzeitig muss das IC den Batterie-Ladealgorithmus sicher managen und kritische Systemparameter überwachen.

Die geringere Ladeerhaltungsspannung der Lithium-Eisenphosphat-Batterien von 3,6 V verhindert den Einsatz eines Standard-Li-Ionen-Batterieladers. Irreparable Schäden für die Akkuzellen können entstehen, wenn nicht richtig geladen wird. Eine akkurate Ladeerhaltungsspannung verlängert die Lebenszeit des Akkus. Die Eigenschaften von LiFePO₄ im Vergleich zu Kobalt-basierten Li-Ionen-Batterien, schließen kleinere volumetrische Energiedichten (Kapazität pro Volumen), jedoch auch Anfälligkeit für frühzeitigen Ausfall mit ein, wenn die neuen Zellen zu früh tiefentladen werden. Zusammengefasst sind die wesentlichen Designvorgaben folgende:

• Batterien mit großer Kapazität benötigen hohe Ladeströme und einen hohen Wirkungsgrad.
• Der Komfort der USB-kompatiblen Ladetechnik für viele portable Applikationen.
• Lithium-Eisenphosphat-Akkus haben die speziellen Lade-bedürfnisse einer geringeren
• Ladeerhaltungsspannung, bieten jedoch einige wichtige Vorzüge gegenüber Li-Ionen-Zellen.

Jede IC-Lösung, die diese bisher diskutierten Designeinschränkungen löst, muss kompakt und monolithisch aufgebaut sein, das Laden großer einzelliger Akkus schnell und effektiv handhaben können und kompatibel mit modernen chemischen Kombinationen wie LiFePO4 sein. Solche Bausteine können als Katalysator wirken, um den Einsatz von hoch kapazitiven Akkus in medizintechnischen Produkten in der ganzen Welt zu steigern.

Leistungsanforderungen erfüllen

Obwohl es unmöglich erscheinen mag, die beschriebenen Vorgaben in einem einzigen IC zu finden, sollte man den »LTC4156« von Linear Technology betrachten.

Dieser Baustein aus der »PowerPath«-Serie ist ein entsprechend leistungsfähiger, I²C-gesteuerter Idealer-Dioden-Controller und Ladebaustein für Lithium-Eisenphosphat-Akkus für einzellige portable Applikationen, beispielsweise für tragbare medizinische und industrielle Geräte, Backup-Systeme und batteriebetriebene Anwendungen mit hoher Leistungsdichte.

Das IC kann bis zu 15 W effizient aus einer Vielzahl von Quellen bereitstellen, minimiert dabei die Verlustleistung und vereinfacht die Einschränkungen des thermischen Budgets.

Die PowerPath-Topologie des LTC4156 überwacht nahtlos die eingangsseitige Versorgung über zwei Eingangsquellen, zum Beispiel von einem Netzteil und einem USB-Port, zur LiFePO4-Zelle, wobei vorzugsweise Strom an die Systemlast geliefert wird, wenn die Eingangsleistung limitiert ist (Bild 1).

Weil der Baustein auf konstante Leistung regelt, kann der Ausgangslaststrom über den eingangsseitigen Strom ansteigen. Damit wird die verfügbare Leistung für das Laden des Akkus maximiert, ohne die Spezifikationen für die eingangsseitige Stromversorgung zu überschreiten.

Wenn das Gerät zum Beispiel von einem 5-V/2-A-Netzteil versorgt wird, überträgt der Schaltregler des ICs effektiv über 85% der verfügbaren 10 W (Bild 2), was einen Ladestrom von ungefähr 2,4 A ergibt und die Ladezeit verkürzt.

Anders als viele andere Akkuladebausteine hat der LTC4156 einen Sofort-Ein-Betrieb, um sicherzustellen, dass die Systemleistung sofort beim Einstecken verfügbar ist - selbst bei einem tiefentladenen Akku. Die Unterstützung von USB OTG (on-the-go) liefert ohne jegliche zusätzliche Komponenten eine 5-V-Versorgung zurück an den USB-Port.

Mehr Sicherheit für den Akku

Der autonome, mit allen Funktionen ausgestattete Einzellen-Lithium-Eisenphosphat-Akkuladebaustein kann mit 15 vom Anwender einstellbaren Ladestromstärken bis zu 3,5 A Ladestrom liefern. Das IC enthält folgende Features: automatisches Wiederaufladen, Erkennen defekter Akkuzellen, programmierbarer Sicherheits-Timer, über Thermistor qualifiziertes temperaturabhängiges Laden, programmierbare Ladeschlusserkennung und eine programmierbare Interrupt-Erzeugung.

Der LTC4156 ist in einem 0,75 mm hohen 28-Pin-QFN-Gehäuse mit 4 mm x 5 mm Kantenlänge integriert und für den Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C ausgelegt. Während des Aufladens des Akkus mit hohem Strom, ist es wichtig, dessen Sicherheit zu gewährleisten. Der LTC4156 stoppt das Laden automatisch, wenn die Batterietemperatur unter 0 °C abfällt oder über +60 °C ansteigt (gemessen von einem externen NTC-Thermistor).

Zusätzlich zu dieser automatischen Funktion, besitzt der LTC4156 einen 7-Bit-A/D-Wandler mit erweiterter Skalierung, um die Batterietemperatur mit rund 1 K Auflösung zu messen (Bild 3). Kombiniert mit den vier verfügbaren Einstellungen für die Ladeschlussspannung und 15 Einstellungen des Batterieladestroms lassen sich mit diesem A/D-Wandler, basierend auf der Batterietemperatur, kundenspezifische Ladezyklen generieren.

Über einen einfachen Zweidraht-I²C-Port kann man auf die Ergebnisse des NTC-A/D-Wandlers zugreifen, um den Ladestrom und die Spannungen einzustellen. Und über den Kommunikationsbus lassen sich zusätzliche Zustandsinformationen anzeigen wie Zustand der Eingangsversorgung und des Ladebausteins sowie Fehlerstatus. Das Managen von zwei Eingängen (z.B. USB und Netzteil) ist für viele portable Geräte wie Tablet-Computer oder industrielle Barcode-Scanner ausreichend.

Die Entwickler von tragbaren Geräten suchen jedoch nach Wegen, den Akku aus jeder verfügbaren Stromquelle laden zu können. Der Prioritätsmultiplexer am zweifachen Eingang des LTC4156 wählt automatisch den geeignetsten Eingang - Netzteil oder USB - basierend aufgrund einer vom Anwender definierbaren Priorität (die voreingestellte Priorität liegt auf dem Netzteileingang).

Eine Überspannungs-Schutzschaltung schützt gleichzeitig beide Eingänge vor Zerstörung, verursacht durch das versehentliche Anlegen einer hohen Spannung oder Verpolung. Der Ideale-Dioden-Controller des LTC4156 garantiert, dass stets genügend Leistung an VOUT verfügbar ist, selbst wenn die Eingangsleistung ungenügend oder gar nicht vorhanden ist. Um eine Entladung des Akkus zwischen der Herstellung und dem Verkauf zu eliminieren, reduziert eine Ship-and-Store-Funktion den bereits sehr kleinen Standby-Strom auf nahezu Null. Und schließlich ist der LTC4156 vollständig Pin- und Komponenten-kompatibel mit der Li-Ionen-Version »LTC4155«, was es ermöglicht, die Batteriechemie bis zur letzten Minute zu wählen, ohne die Baugruppe ändern zu müssen.

Über die Autoren:

Trevor Barcelo ist Product Line Manager im Bereich Battery Management und Steve Knoth ist Senior Product Manager Engineer, beide in der Power Products Group von Linear Technology.

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