Monolithische ideale Diode verlängert die - All

BAU ELEMENTE
Analog-IC
Monolithische ideale Diode verlängert
die Batterielebensdauer
Andrew Bishop, Linear Technology
Viele mobile Geräte der Konsumelektronik arbeiten mit Batterien und Steckernetzteilen. Sie benötigen ein Verfahren zur
problemlosen automatischen Umschaltung zwischen Batterie und Steckernetzteil. LTC4411 ist eine verlustarme ideale
Diode, welche die Realisierung eines PowerPath-Steuerschaltkreises vereinfacht. Mit ihr ist es möglich, eine komplette
Power-Management-Schaltung auf einer Fläche von 2 mm x 3 mm aufzubauen.
D
ie monolithische ideale Diode
LTC4411 ist für Spannungen von
2,5 V bis 5,5 V geeignet. Sie ist anschlusskompatibel zum Controller mit idealer Diode LTC4412 (mit dem Unterschied,
dass am LTC4411 der Anschluss weggelassen wurde, mit dem der LTC4412 einen
externen P-Kanal-MOSFET ansteuert). Außerdem bietet sie einen geringen VorwärtsSpannungsabfall, der im leitenden Zustand
typischerweise unter 50 mV liegt, und einen
geringen RDS(ON) unter 140 mΩ, der gut geeignet ist, eine preiswerte PowerPath-Management-Lösung in tragbaren, batteriebetriebenen Geräten bereitzustellen. Das
kompakte Design kann in einem kleinen 5poligen ThinSOT-Gehäuse einen kontinuierlichen Strom von bis zu 1,6 A liefern.
Bild 1 zeigt eine Schaltung, bei der der
LTC4411 die Systemlast automatisch von
der Batterie trennt, wenn die Zusatz-Stromversorgung angeschlossen wird, und die
Batterie wieder mit der Last verbindet,
wenn die Zusatz-Stromversorgung entfernt
wird. In dieser Konfiguration wird kein
Strom aus der Batterie entnommen, wenn
die Zusatz-Stromversorgung verfügbar ist,
und es fließt kein möglicherweise schädlicher Rückwärtsstrom in die Batterie, wenn
die Zusatz-Stromversorgung angeschlossen
ist. Wenn die Zusatz-Stromversorgung herausgezogen wird, schaltet das Bauelement
automatisch in typischerweise weniger als
9 µs auf die Versorgung durch die Batterie
zurück. Diese schnelle Reaktionszeit bedeutet, dass die Last eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung ohne Spannungsspitzen
erhält (wegen der in COUT gespeicherten Ladung).
Bild 1: Automatische PowerPath-Steuerung mit LTC4411 und einer SchottkyDiode.
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high-aktiven
Abschalt-Eingangsanschluss, um den Betrieb zu steuern.
Funktion
Bild 2 zeigt eine Anwendung
des LTC4411 als automatischer Stromversorgungs-Umschalter zwischen einem
Bild 2: Automatische Stromversorgungs-Umschaltung Steckernetzteil und einer Batzwischen einer Batterie und einem zusätzlichen Ein- terie. Hier ist das Bauelement
so konfiguriert, dass es die
gang mit LTC4411 und externem P-Kanal-MOSFET.
Last von der/den Batterie(n)
automatisch abschaltet, wenn das Steckernetzteil (oder eine andere Stromversorgung)
angelegt wird. Der Betrieb dieses Schaltkreises wird in Bild 3 erklärt, in dem die Stromversorgungs-Eingänge langsam ansteigen,
um zu zeigen, wie der IC arbeitet. Zuerst
steigt die Batteriespannung von 0 V an,
während die zusätzliche Eingangsspannung
auf 0 V gehalten wird (Zeitpunkt A1). Wenn
die Batteriespannung die Schwellspannung
der Unterspannungssperre (UVLO) überschreitet (A2), beginnt der LTC4411 im Vorwärts-Regel-Modus zu leiten und zieht die
Ausgangsspannung bis auf 20 mV auf die
Batteriespannung (der Spannungsabfall
Bild 3: Signalformen im Betrieb des
über dem LTC4411 ist vom Laststrom abLTC4411.
hängig). Im Vorwärts-Regel-Modus (vom
Zeitpunkt A2 bis B2) ist der Anschluss STAT
Der winzige Vorwärts-Spannungsabfall
offen und der 470-kΩ-Widerstand zieht die
führt direkt zu einer größeren BatterieSTATUS-Spannung auf VOUT. Alternativ dazu
kann dieser Widerstand unabhängig von
lebensdauer. Der geringe RDS(ON) verringert
die Verlustleistung, wodurch sich die Batteder Spannung an IN an eine beliebige Spanrieleistung weiter verbessert. Der im Vernung VCC bis zu 6 V angeschlossen werden
(siehe Bild 1).
gleich zu einer Schottky-Diode sehr geringe
Wenn die Spannung des Steckernetzteils
Rückwärts-Leckstrom hat ebenfalls Vorteile
oder der anderen zusätzlichen Stromversorin vielen Anwendungen, in denen ein Leckgung von 0 V (Zeitpunkt B1) über eine
strom in eine Batterie aus einer in RückSchottky-Diode ansteigt, misst der LTC4411
wärtsrichtung gepolten Schottky-Diode zu
automatisch, wann die Spannung an seieiner Beschädigung oder einem Ausfall
nem Ausgang bis auf VRTO (Rückwärts-Abführen könnte.
schaltspannung, maximal 14 mV) auf die
Der LTC4411 erhöht die SystemzuverlässigSpannung an seinem Eingang angestiegen
keit, da Funktionen zum Kurzschlussschutz,
ist (Zeitpunkt B2). An diesem Punkt schaltet
zum thermischen Management, sowie zum
der IC in den Rückwärts-Abschalt-Modus,
Power-Management und zur Steuerung auf
und der Anschluss STAT nimmt einen Strom
Systemebene enthalten sind. Er verfügt
von 10 µA auf, um anzuzeigen, dass die zuüber einen Anschluss mit einem Signal, ob
sätzliche Stromversorgung vorhanden ist.
das Steckernetzteil vorhanden ist, um den
Im Rückwärts-Abschalt-Modus schaltet der
Leitungszustand anzuzeigen, und einen
elektronik industrie 07/08-2004
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Schottky-Diode aus Bild 1
durch einen P-Kanal-MOSFET
ersetzt wird. Der Anschluss
STAT wird dazu verwendet,
diesen MOSFET einzuschalten, wenn die Spannung OUT
die Spannung IN um 20 mV
überschreitet. Wenn die zusätzliche Spannung an das
Drain des P-Kanal-MOSFET
angelegt wird, schaltet zuerst
Bild 4: Automatische Aufteilung der Last mit zwei die Drain-Source-Diode im
LTC4411.
MOSFET ein und zieht die
Spannung OUT nach oben.
IC die Batterie ab und trennt sie von der
Wenn die Spannung OUT die Spannung IN
Last. Die Batteriespannung steigt leicht an,
überschreitet, zieht der LTC4411 die Spanda sie keinen Strom mehr an die Last liefert
nung STAT nach unten, wodurch der P-Ka(B3). Gleichzeitig, während das Bauelement
nal-MOSFET eingeschaltet wird. Wenn der
sich im Rückwärts-Abschalt-Modus befinMOSFET eingeschaltet ist, kann der Spandet, wird der gesamte Strom für die Last
nungsabfall über ihm sehr klein sein, abhänüber die externe Diode von der zusätzlichen
gig von der RDS(ON)-Charakteristik des MOSFET.
Stromversorgung geliefert, und aus der Batterie wird kein Strom entnommen und an
die Last geliefert. Man beachte, dass der
Automatische Lastaufteilung
LTC4411 in den Rückwärts-Abschalt-Modus
Das präzise gesteuerte Verhalten einer ideaschaltet, während die Spannung an IN noch
len Diode erlaubt den Strom-Ausgleich
über der Spannung an OUT liegt, VRTO =
VOUT - VIN ist eine negative Größe, die typibeim Laden oder Entladen mehrerer Battescherweise nur einige mV beträgt. Dies garien an einer einzigen Quelle oder Last, so
rantiert, dass die ideale Diode abgeschaltet
dass eine effiziente Lastaufteilung zwischen
wird, wenn eine zusätzliche StromversorBatterien unterschiedlicher Stärke und/oder
gung die Spannung an OUT auf innerhalb
Kapazität möglich ist. Zum Beispiel zeigt
ein mV auf die Spannung an IN zieht.
Bild 4 mehrere LTC4411, die zur automatiDie externe Schottky-Diode wird als Schutz
schen Lastaufteilung konfiguriert sind. In
gegen Fehler der zusätzlichen Stromversordiesem Beispiel liefert die Batterie mit der
gung verwendet. Statt der Schottky-Diode
höheren Spannung den gesamten Strom an
kann auch eine Silizium-Diode verwendet
die Last und wird entladen, bis beide Battewerden, die aber wegen des größeren Vorrien dieselbe Spannung haben. An diesem
wärts-Spannungsabfalls eine größere VerPunkt liefern beide Batterien Strom an die
lustleistung hat. Für eine noch bessere LeisLast und entladen sich entsprechend ihrer
tung kann natürlich anstelle der externen
Kapazität.
Schottky-Diode ein zweiter LTC4411 verBild 5 zeigt ein weiteres Beispiel, in dem der
LTC4411 dazu verwendet wird, mehrere
wendet werden.
Batterien an einem einzigen BatterieladeDer IC bietet einen geringen RDS(ON) von nur
140 mΩ (typisch 100 mΩ) für Lastströme
gerät zu laden. In diesem zweiten Beispiel
von 50 mA bis zu mindestens 1,0 A. Wenn
können eine oder beide Batterien geladen
der Laststrom weiter steigt, steigt der Vorwerden, unabhängig vom Ladezustand der
wärts-Spannungsabfall bis der Strombegrenzungs-Grenzwert
erreicht
wird. An diesem Punkt hält der
LTC4411 den Ausgangsstrom an der
Überstrom-Grenze IOC fest. Diese
Strombegrenzungsfunktion schützt
ihn gegen versehentliche Kurzschlüsse nach Masse.
PowerPath-Steuerung
Der Schaltkreis in Bild 2 ähnelt dem
Schaltkreis aus Bild 1 darin, dass er
die automatische Umschaltung einer
Last zwischen einer zusätzlichen
Stromversorgung und einer Batterie
steuert. Der Unterschied ist, dass
dieser Schaltkreis eine geringere Verlustleistung im Pfad der ZusatzStromversorgung aufweist, weil die
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anderen Batterie. Die Batterie mit der geringsten Spannung erhält den Ladestrom,
bis beide Batteriespannungen gleich sind.
Dann werden beide Batterien gleichzeitig
geladen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist,
dass wegen der kapazitiven Natur von Batterien die Batterie mit der höchsten Kapazität einen proportional höheren Strom vom
Ladegerät erhält. Bei Li-Ionen-Batterien erreichen beide Batterien die Float-Spannung
minus dem Vorwärts-Regelungsspannungsabfall von 20 mV. Dies kann auf eine beliebige Anzahl von Batterien erweitert werden.
Die Anschlüsse STAT zeigen an, welche Batterien geladen werden.
High-Side-Schalter
Bild 6 zeigt einen Anwendungs-Schaltkreis
für einen durch Logik gesteuerten HighSide-Stromversorgungs-Schalter. Wenn der
Anschluss CTL auf Low-Pegel liegt, schaltet
der LTC4411 ein und liefert Strom an die
Bild 6: High-Side-StromversorgungsSchalter mit einem LTC4411.
Last. Falls der Anschluss CTL auf High-Pegel
liegt, schaltet er aus und liefert keinen
Strom an die Last. Wird die Last von einer
anderen Quelle (mit höherer Spannung) versorgt, bleibt die an IN angeschlossene
Stromversorgung von der Last abgeschaltet.
Fazit
Die ideale Diode LTC4411 bietet eine einfache und effiziente Lösung mit einem IC für
ein verlustarmes PowerPath-Management.
Das Bauelement eignet sich ideal für batteriebetriebene, tragbare Geräte – es kann die
Batterielebensdauer erhöhen, die Selbsterwärmung beträchtlich verringern und mit
seinem 5-poligen ThinSOT-Gehäuse und
den wenigen externen Bauelementen die
Schaltungsgröße verringern. (jj)
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Analog-ICs
Lade-ICs.
Bild 5: Laden mehrerer Batterien mit einem
einzigen Batterieladegerät unter Verwendung
mehrerer LTC4411.
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Andrew Bishop ist Mitarbeiter von Linear
Technology in Sunnyvale/Kalifornien.
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