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Powermanagement-ICs

Mit Multi-Level-Wandlern schneller und effizienter laden

15. September 2021, 10:30 Uhr | Jeff Falin und Alvaro Aguilar, Texas Instruments

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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 f_SW 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.

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Wandlerlösung	IC	Induktivität	C_FLY	C_BAT	C_AUX	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.

In Bild 8a sind die gemessenen Wirkungsgrade des BQ25910 und des BQ25898 bei 9 V Eingangsspannung und einer Batteriespannung von 3,8 V dargestellt, während in Bild 8b die Verluste beider Wandler gegenübergestellt sind. Bei 3 A Ladestrom kommt der BQ25898 (2-Level-Wandler) auf einen Wirkungsgrad von 89,3 %. Laut Bild 7 beträgt im Fall des BQ25910 (3-Level-Wandler) die Verlustleistung 0,85 W bei einer Ausgangsleistung von 11,4 W (3 A ∙ 3,8 V). Der sich daraus errechnende Wirkungsgrad von 93,1 % liegt sehr nah an den gemessenen 93,2 %.

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.