EI 5/99-5749 Bauelemente-C

BAUELEMENTE
Analoge
Schaltkreise
Ladegerät zum schnellen Laden
von Li-Ionen-Batterien
GORAN PERICA
<0,5 V),
Programmierbare Strombegrenzung des
Steckernetzteils,
e Programmierbarer
Spitzen-Batterie-Ladestrom,
e Batterie-Leckstrom <10 µA im Shutdown,
e 94% Wirkungsgrad.
e
Der aktuelle Trend bei Notebook-Computern ist die Erhöhung der BatterieBetriebszeit und der Einsatz schnellerer Prozessoren. Diese beiden Forderungen stellen, zusammen mit der Forderung nach einer immer kürzeren Aufladezeit (1...2 Stunden), hohe Anforderungen an Batterie-Ladeschaltungen
und Steckernetzteile. Der integrierte Schaltkreis LT1505 enthält eine
patentierte Funktion zur Begrenzung des Eingangsstroms des Batterie-Ladegerätes, sowie weitere Funktionen, die zur Realisierung einer kompletten
Einchip-Schaltung zum Laden von Batterien erforderlich sind.
Steckernetzteile sind normalerweise AC/DCWandler mit 20 V Ausgangsspannung bei
einem Laststrom von 3...4 A. Wenn ein Notebook-Computer eingeschaltet ist, kann es
sein, daß der gesamte verfügbare Strom des
Steckernetzteils vom System verbraucht wird,
so daß zum Laden der Batterie kein Strom zur
Verfügung steht. Sobald die Stromaufnahme
des Systems jedoch unter den Grenzstrom des
Steckernetzteils fällt, kann die Batterie weiter
geladen werden. Um die Batterie in der kürzestmöglichen Zeit wieder aufzuladen, muß
das Aufladen sofort beginnen, sobald das
System nicht den maximalen Strom benötigt.
Der Idealfall ist es, wenn die Summe des Batterie-Ladestroms und der System-Stromaufnahme gerade unter dem Grenzstrom des
Steckernetzteils liegt.
IIN_MAX > ISYS + ICHARGER
Hierbei ist IIN_MAX der Grenzstrom des Steckernetzteils, ISYS die Stromaufnahme des Systems
und ICHARGER der Batterie-Ladestrom.
Um dieses Ziel zu erreichen, muß der BatterieLadestrom so eingestellt werden, daß die
Summe der beiden Ströme gerade unter dem
maximal verfügbaren Eingangsstrom IIN_MAX
liegt. Der LT1505 enthält eine patentierte
Funktion zur Begrenzung des Eingangsstroms
des Batterie-Ladegerätes, sowie weitere
Funktionen, die zur Realisierung einer kompletten Einchip-Schaltung zum Laden von
Batterien erforderlich sind.
Schaltungsbeschreibung
Der LT1505 ist ein synchroner Buck-Wandler,
bei dem N-Kanal-MOSFETs eingesetzt werden. Der LT1505 arbeitet mit 200 kHz und
kann auf einen externen Takt mit
einer Frequenz von über 240 kHz
synchronisiert werden. Auf dem IC
befindet sich ein Schaltkreis zur
Unterspannungssperre, der eine
anliegende
Eingangsspannung
erkennt und das Laden der Batterie
freigibt. Wenn die Spannung der
Unterspannungssperre überschritten wird, beginnt die PWM zu
arbeiten und Eingangs-MOSFET M3
Bild 1: Typische Stromversorgung eines Notebookwird eingeschaltet, wodurch sich
Computers
der Spannungsabfall über der
internen Substratdiode DBODY verringert (Bild 2).
e Referenzspannungsquelle mit ≤0,5%
Der LT1505 überwacht den Strom des
Abweichung,
Steckernetzteils und regelt den Batterie-Ladee 5% Regelung des Ausgangsstroms,
strom. Wenn zum Beispiel ein Steckernetzteil
e Ausgangsspannung ist für 3 oder 4 Limit 20 V, 3 A zusammen mit einem 12,6-V-LiIonen-Zellen voreingestellt (12,3 V, 12,6 V,
Ion-Batteriepack eingesetzt wird, kann der
16,4 V und 16,8 V),
Spitzenwert des Batterie-Ladestroms bei ause Ausgangsspannung ist programmierbar
geschaltetem System auf folgenden Wert einvon 1 V bis 21 V,
gestellt werden:
e Betrieb mit geringem UIN-zu-UOUT (Dropout
Eigenschaften des LT1505
Der LT1505 ist ein Konstantstrom(CC)/Konstantspannungs(CV)-Current-Mode-Batterielade-Schaltregler mit folgenden Eigenschaften:
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Bild 2: 4-A-Ladegerät für Li-Ionen-Batterien
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IBATT_MAX = (UPROG/RPROG) x (RS2/RS1)
Bild 3: Programmierung des BatterieLadestroms
IBATT MAX = η x IIN_MAX x UIN/UBATT
Hierbei ist IBATT MAX der maximale BatterieLadestrom bei ausgeschaltetem System, η der
Wirkungsgrad des Batterie-Ladegerätes, UIN
die Ausgangsspannung des Steckernetzteils
und UBATT die Batterie-Ladespannung.
Nimmt man einen Wirkungsgrad von 90%
an, ergibt sich im obigen Beispiel ein BatterieLadestrom von über 4 A. Der LT1505 verringert den Batterie-Ladestrom, sobald die Stromaufnahme des Systems (IIN_MAX - ICHARGER)
übersteigt. Wenn zum Beispiel ein Steckernetzteil mit 20 V, 3 A verwendet wird und das
System 2 A aus dem Netzteil benötigt, ist der
zum Laden der Batterie zur Verfügung stehende Strom ICHARGER = 1 A. Der sich ergebende Batterie-Ladestrom IBATT ist dann:
Hierbei ist UPROG die Referenzspannung von
2,465 V. Die in Bild 2 angegebenen Werte
wurden für einen maximalen Strom (IBATT_MAX)
von 4 A ausgewählt. Ändert man RS1 auf
0,050 Ω, wird IBATT_MAX auf 2 A eingestellt.
Der Grenzwert des Batterie-Ladestroms
(IBATT_MAX) kann auch vom Host-Computer
programmiert werden. Der Strom IBATT_MAX
kann in Schritten von 0,25 A eingestellt werden, wenn RPROG durch ein Widerstandsnetzwerk ersetzt wird (Bild 3). Aufgrund des synchronen Betriebs und des Leistungs-FETs im
Eingang erreicht das in Bild 2 gezeigte Batterie-Ladegerät einen hohen Wirkungsgrad von
94%. Dies ist in Bild 4 dargestellt.
Leiterplattenlayout
Für das Leiterplattenlayout wird ein Multilayer
empfohlen, bei dem eine der inneren Lagen
als Massefläche ausgeführt ist. Der LT1505
und die zugehörigen Bauelemente niedriger
Leistung sollten so dicht wie möglich nebeneinander angeordnet werden. Außerdem
sollten alle Leistungsbauelemente zusammen
und in der Nähe der Regelschaltung des
LT1505 angeordnet werden. Das Ziel dabei ist
IBATT = η x ICHARGER x UIN/UBATT
oder
IBATT = 0,9 x 1 A x 20 V/12,6 V = 1,428 A
Der Eingangsstrom vom Steckernetzteil fließt
durch einen Meßwiderstand RS4. Ein Teil des
Eingangsstroms gelangt als Laststrom zum
System, und der restliche Teil fließt zum Batterie-Ladegerät LT1505. Der Spannungsabfall
über RS4 wird durch einen Spannungs-Komparator mit einem Schwellwert von 90 mV
überwacht. Sobald der Schwellwert von 90
mV erreicht ist, verringert der LT1505 den
programmierten Batterie-Ladestrom, so daß
der Spitzen-Eingangsstrom nicht die voreingestellte Grenze überschreitet. Somit ist der
maximale Eingangsstrom (IIN_MAX):
IIN_MAX = ISYSTEM + ICHARGER = 0,090 V/RS4
Hierbei ist ISYSTEM die Stromaufnahme des
Systems, ICHARGER ist der Batterie-Ladestrom
des LT1505 und RS4 der Wert des Strommeßwiderstandes. Bei dem in Bild 2 gezeigten
Widerstandswert von 0,025 Ω wird der maximale Eingangsstrom IIN_MAX auf 3,6 A eingestellt. Der Grenzwert des Batterie-Ladestroms
wird durch RPROG, RS1 und RS2 eingestellt und
beträgt:
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Bild 4: Wirkungsgrad eines BatterieLadegerätes mit 12,6 V, 4 A bei 20 V
Eingangsspannung
es, alle hohen Schaltströme so lokal wie möglich zu halten. Bei Bauelementen, die an die
Massefläche angeschlossen sind, sollten die
Durchkontaktierungen so nahe wie möglich
an den mit der Massefläche verbundenen
Anschlüssen liegen. Außerdem müssen Leistungsbauelemente größere oder mehrere
Durchkontaktierungen für den Anschluß der
Massefläche aufweisen. Plazieren Sie die Leistungsbauelemente nicht so, daß die Eingangs- und Ausgangsströme am LT1505 vorbeifließen. Um den Temperaturanstieg der
Bauelemente gering zu halten, verwenden ©
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Bild 5: Typische Anwendung in der Telekommunikation
Sie so viel Kupfer wie möglich. Durch Einsatz
von Polygon-Lagen für Netzwerke mit hohen
Leistungen, wie z. B. in Bild 2 die an UIN, UCC,
SW, UBAT und GND angeschlossenen, wird die
Wärme besser verteilt und die Verlustleistung
in den Leiterbahnen und MOSFETs verringert.
Weitere Anwendungen
Der LT1505 kann auch in anderen Schaltungen eingesetzt werden, wie z. B. in der in Bild
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5 gezeigten Schaltung aus
der Telekommunikation. Bei
dem dort gezeigten Schaltkreis wird die Batterie dazu
verwendet, in Spitzenzeiten
mit sehr hohem Leistungsbedarf zusätzlich Strom zu liefern. Hierdurch kann die
erforderliche
Maximalleistung des Steckernetzteils
wesentlich geringer sein als
die von der Last benötigte
Spitzenleistung. Das Steckernetzteil muß nur den Mittelwert der Stromaufnahme lie-
kungsgrad und geringe Abmessungen
ermöglichen eine einfache Integration in die
Schaltungen des Laptops. Außerdem ist es
durch Hinzufügung eines einfachen externen
Schaltkreises möglich, daß der Host-Computer das Aufladen steuert, so daß sehr
anspruchsvolle Aufladeverfahren realisiert
werden können.
(jj)
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Goran Perica ist Mitarbeiter der Linear Technology
fern.
Schlußbemerkungen
Der LT1505 ist ein komplettes EinchipBatterielade-IC für anspruchsvolle Ladeschaltungen in modernen Hochleistungs-Laptops.
Das Bauelement benötigt nur wenige externe
Komponenten und liefert alle erforderlichen
Funktionen für das Laden der Batterien und
das Power-Management. Ein hoher Wir-
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