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Power Management Dynamische Stromverteilung in Ladeschaltungen leicht gemacht

Autor / Redakteur: Mark Shepherd * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Die optimale Stromverteilung in akkubetriebenen Portabelgeräten stellt Systementwickler vor echte Herausforderungen. Wir zeigen Ihnen, wie sich diese Aufgabe mithilfe einer hochintegrierten Stromsteuereinheit einfach bewältigen lässt.

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Akkubetriebene Portabelgeräte: Die Stromsteuerung rund um den Akku ist eine echte Herausforderung für ambitionierte Systementwickler.
Akkubetriebene Portabelgeräte: Die Stromsteuerung rund um den Akku ist eine echte Herausforderung für ambitionierte Systementwickler.
(Bild: ams)

In portablen Geräten steuert normalerweise ein interner Lade-IC das Laden des Akkus. Bei einem Lithium-Ionen-Akku gibt er zunächst einen konstanten Strom ab und danach eine konstante Spannung. Heute setzen diese ICs üblicherweise optimierte Laderoutinen ein und implementieren dabei eine dynamische Stromverteilung.

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In der Vergangenheit hat man die Stromverteilung bei akkubetriebenen Geräte auf verschiedene Weise umgesetzt. Mit dem effizientesten Aufbau erzielt man die beste Nutzererfahrung bei maximaler Akkuschonung.

Dieser Beitrag beschreibt die Funktionsweise einer optimalen Stromverteilung und zeigt, wie man das Verfahren in einer hochintegrierten Stromsteuereinheit (PMU, Power Management Unit) umsetzen kann. Mit ihr kann man Stromversorgung und Akkuladung in Geräten wie etwa E-Book-Readern, Tablets und Mediaplayern platzsparend lösen.

Grundlegende Anforderungen an eine Ladeschaltung

Das Laden eines Akkus ist zunächst einmal einfach: Wird das betreffende Gerät an einen USB-Port oder an ein Netzteil angeschlossen, beginnt der Ladevorgang. Mit dem Einstecken wacht das Gerät typischerweise auf, es zieht dann Leistung aus der externen Quelle und speist damit das System und die interne Ladeschaltung.

Der Strom zur Versorgung des Systems wird dabei nicht aus dem Akku entnommen, der gerade geladen wird, sondern direkt aus der Stromquelle. Das hält die Zahl der Ladezyklen klein, schließlich zehrt jeder Lade- und Entladevorgang an der Lebenszeit des Akkus. Mit der Zahl der Lade- und Entladezyklen wird jeder Lithium-Ionen-Akku immer schwächer und fällt schließlich aus. Vermeidet man also eine unnötige Stromentnahme aus dem Akku, indem man beim Vorhandensein einer externen Stromquelle das System ohne Beteiligung des Akkus speist, verlängert dies das Leben des Akkus.

Das Gerät wird unabhängig vom Akku mit Strom versorgt

Ein weiterer Vorteil dieser Stromverteilung liegt darin, dass die Stromversorgung des Geräts unabhängig vom Akku erfolgt. Das Gerät startet auch mit leerem Akku sofort, ohne dass der Anwender warten muss, bis der Akku Spannung aufgebaut hat.

Im einfachsten Fall trennt eine Diode den Akku von der Systemstromversorgung, eine weitere Diode versorgt das System um den Akku herum (Bild 1). Die beiden Dioden bilden zusammen ein logisches ODER. Damit startet das System sofort, wenn es an eine externe Spannungsversorgung angeschlossen wird, derweil wird der Akku geladen und kann Spannung aufbauen. Diese einfache Schaltung hat aber verschiedene Nachteile. Der größte Nachteil ist der Spannungsabfall an den Schottky-Dioden, besonders nachteilig dabei ist der Leistungsverlust an D2, der bei Akkubetrieb auftritt. In diesem Fall geht an D2 Akkuleistung verloren.

Strom für das Gerät und zum Akku-Laden

Ein zweiter, weniger offensichtlicher Nachteil ist, dass die Ladeschaltung den Akku lädt, ohne dabei zu beachten, dass das Gerät selbst mit Strom versorgt werden möchte. Ist die Schaltung an einen normalen USB-Port angeschlossen, der gerade mal 500 mA Strom liefern kann, beansprucht die Ladeschaltung eventuell den ganzen Strom für sich und lässt für das System nichts mehr übrig. Schlimmer noch will die Ladeschaltung eventuell mehr als 500 mA Strom aus dem USB-Port ziehen und verletzt damit die USB-Spezifikation.

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