Switched-Capacitor-Ladesystem
Smartphones blitzschnell laden
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Intelligente Regelung
Um die Switched-Capacitor-Architektur zum Laden von Akkus zu verwenden, muss ein PPS-Steckernetzteil die Akkuspannung und den Strom regeln und überwachen. Die USB-PD-Spezifikation bietet Unterstützung für Direktlade-Adapter mit PPS. Das PPS-Protokoll ermöglicht Switched-Capacitor-Ladegeräte, unterstützt aber auch USB-2.0-, USB-3.1- und USB-Typ-C-Ströme sowie BCS-1.2-Spannungen und -Ströme.
Das Steckernetzteil als Quelle muss selbst für seinen Schutz sorgen, darf sich also bezüglich der Schutzfunktionen nicht auf die Akkuladeschaltung (Senke) verlassen. Ebenso muss die Senke selbst für ihren Schutz sorgen und darf dies nicht der Quelle überlassen. Die Quelle muss außerdem einen Überstromschutz implementieren und im Fall der Switched-Capacitor-Architektur entsprechend dem Bedarf der Senke einstellbar sein. Die Quelle kann die Ausgangsspannung in 20-mV-Schritten und den Strom in 10-mA-Schritten variieren.
Die Switched-Capacitor-Lösung ist für die Verwendung in Verbindung mit
einer Standard-Ladelösung für das Vorladen und den Abschluss des Ladevorgangs vorgesehen. Die Kombination aus einem PPS-Steckernetzteil als Quelle und einer Standard-Ladelösung ermöglicht es dem System, das in Bild 7 gezeigte Ladeprofil umzusetzen.
Hat der zu ladende Akku eine Spannung, die unter einer vorgegebenen Grenzspannung von beispielsweise 3,5 V liegt, wird die Standard-Ladelösung während des Vorladens und für das Konstantstrom-Laden genutzt, bis die Grenzspannung erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt weist das Smartphone die PPS-Quelle über die Kommunikationskanäle des USB-Typ-C-Kabels an, die Spannung und den Strom anzuheben, um die Ladeanforderungen zu erfüllen.
Sobald die Batteriespannung nahezu die Ladeende-Spannung erreicht hat, senkt das PPS-Netzteil die Spannung und den Strom in kleinen Schritten ab, um ein Überladen des Akkus zu verhindern. Hat das PPS-Netzteil die Spannung und den Strom so weit reduziert, dass die Unterstrom-Schwelle der Switched-Capacitor-Schaltung unterschritten wird, wird der Ladevorgang unterbrochen, und das Standard-Ladegerät übernimmt wieder, um den Strom abflachen zu lassen und den Ladevorgang zu beenden.
Eine komplette Systemlösung
Bild 8 zeigt ein Flussdiagramm für das beschriebene Ladeprofil. Zu Beginn liegen am USB-Kabel nur 5 V an, bevor entsprechend den Fähigkeiten und dem Zustand der Senke eine Aushandlung erfolgt. Ein einzelnes, als Quelle dienendes Steckernetzteil kann mehrere Typen von Smartphones (Senken) laden
Intelligente Regelung, Bilder 8-10
Zur Implementierung dieses Ablaufs wurde ein Testsystem implementiert. Im Steckernetzteil kamen der Flyback-Controller UCC28740, der Synchrongleichrichter UCC24636, der Current Shunt Monitor INA199 und ein USB-PD-Controller sowie ein Mikrocontroller des Typs MSP430 zur Ausführung des Codes zum Einsatz. Telefonseitig wurden ein Switched-Capacitor-Ladesystem des Typs bq25970, die geschaltete Ladeschaltung bq25890, das USB PD USB Type-C Port Controller Interface (TCPCi) TUSB422 und ein MSP430-Mikrocon-troller zur Verarbeitung des Codes verwendet. Die Bilder 9 und 10 enthalten Angaben zum Ladezyklus und zur Ladezeit des Testsystems.
Deutlich kürzere Ladezeiten mit geringerer Verlustleistung und niedrigeren Temperaturen lassen sich also erzielen, wenn ein USB PD PPS in Verbindung mit einer Switched-Capacitor-Lösung zum Laden von Smartphones verwendet wird. Die Schutz- und Alarmgrenzwerte sollten jedoch sorgfältig gewählt werden, um sicherzustellen, dass die thermischen Restriktionen des Akkus und des Systems eingehalten werden.
Die Autoren
Yutian Cui
ist Systemingenieur im Bereich Batteriemanagement-Lösungen bei Texas Instruments und hat Blitzladegeräte für die Schnellladung definiert und entwickelt. Sie erhielt den BS-Abschluss von der Xian Jiaotongn Univ. in China und promovierte an der University of Tennessee, Knoxville.
Steven Schnier
ist Systemingenieur im Bereich Batteriemanagement-Lösungen bei Texas Instruments. Während der letzten 12 Jahre war Schmier an der Entwicklung von Stromversorgungssystemen wie beispielsweise Abwärtsreglern, Linearlade-ICs und Powermanagement-ICs beteiligt. Schnier hat einen Bachelor in Elektrotechnik an der Iowa State University und einen Master of Business Administration an der Universität Dallas absolviert.
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