Powermanagement-ICs
Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden
Jedes portable Gerät benötigt eine Ladeschaltung. Diese muss zum einen schnell laden können, zum anderen aber auch wenig Verlustwärme erzeugen. Ein 3-Level-Abwärtswandler ist da eine Alternative zum traditionellen 2-Level-Abwärtswandler.
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Vergleich der Ladelösungen
Als neueste 3-Level-Ladeschaltung für eine Lithium-Ionen-Zelle bietet Texas Instruments (TI) den Baustein an, der bei einer Schaltfrequenz fSW von 750 kHz einen Ladestrom von 5 A liefern kann. Die für 4 A ausgelegte 2-Level-Ladeschaltung von TI besitzt ein ähnliches Chip-Scale-Gehäuse, basiert aber auf einer älteren Prozesstechnologie, arbeitet mit 1,5 MHz und benötigt eine Spule mit 1 µH, während sich der BQ25910 mit nur 470 µH begnügt. Dies entspricht einer Halbierung des Induktivitätswerts und bleibt somit sogar hinter der potenziellen Reduzierung auf ein Viertel zurück, die mit der 3-Level-Topologie eigentlich möglich wäre.
Tabelle 2 vergleicht den Flächenbedarf beider Ladelösungen inklusive Induktivitäten mit ähnlichen Nennströmen und sinnvollen DCR-Werten. Unberücksichtigt bleiben das Routing sowie all jene Bauteile, die bei beiden Ladeschaltungen identisch sind.
| Wandlerlösung | IC | Induktivität | CFLY | CBAT | CAUX | Gesamtfläche | Differenz (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BQ25898 (2L) | 7,0 | 17,6 | 0,0 | 1,3 | 0,0 | 28,9 | — |
| BQ25910 (3L) | 5,9 | 5,5 | 2,6 | — | 0,5 | 16,5 | –36,3 |
Tabelle 2: Vergleich des Flächenbedarfs (in mm²) einzelner Bauteile der beiden vorgeschlagenen Ladelösungen.
Ungeachtet der zusätzlichen Bauelemente reduziert sich der Flächenbedarf der Lösung mit dem BQ25910 bei ähnlichem DCR der Spulen und das Fehlen des Batterie-FET um rund 36 %. Bild 7 zeigt die Verluste für den BQ25910 und den BQ25898 auf der Basis von Werten, die aus den Gleichungen aus Tabelle 1 berechnet worden sind. Hervorzuheben ist die Tatsache, dass die DCR-Verluste bei beiden Lösungen den größten Anteil an den Gesamtverlusten haben.
Bei einer Eingangsspannung von 9 V, einer Batteriespannung von 3,8 V und einem Ladestrom von 3 A verbessert der 3-Level-Baustein BQ25910 den Wirkungsgrad gegenüber dem 2-Level-Baustein BQ25898 um 3,9 Prozentpunkte, während die Verlustleistung um 36 % sinkt. Anders ausgedrückt: Bei einem Verlustleistungsbudget von 1,5 W kann der BQ25898 einen Ladestrom von 3,2 A liefern, während es im Fall des BQ25910 4,2 A sind. Dies entspricht einem Plus von 31 %, gleichzeitig verringern sich die Abmessungen der Lösung um 36 %.
Fazit
Es bleibt schwierig, mit Ladeschaltungen auf der Basis eines traditionellen 2-Level-Abwärtswandlers auf mehr als 90 % Wirkungsgrad zu kommen, wenn bei Eingangsspannungen von 9 V und darüber mit Strömen von 3 A und mehr geladen werden soll. Dagegen punkten Ladeschaltungen mit 3-Level-Abwärtswandler mit höherem Wirkungsgrad und bieten zusätzlich die Möglichkeit, die Abmessungen der Gesamtlösung zu reduzieren.
- Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden
- Chipinterne sowie externe Verluste
- Vergleich der Ladelösungen