Einleitung:
Die steigende Nachfrage nach tragbaren elektronischen Geräten hat den Bedarf an effizienten, portablen Energiemanagementsystemen verstärkt. Tragbare Ladegeräte sind zu unverzichtbarem Zubehör geworden und bieten eine zuverlässige Notstromversorgung für Smartphones, Tablets und andere USB-Geräte. Mithilfe von Evaluierungs-Demo-Boards entwickelten wir zunächst eine modulare Lösung für ein tragbares Ladegerät als Machbarkeitsnachweis. Dieser Prototyp wurde durch Stapeln von Demo-Boards aufgebaut und anschließend zu einer Einplatinenlösung mit verbesserter Leistung und weiteren Optimierungen weiterentwickelt. Diese Lösung akzeptiert verschiedene Eingangsquellen wie Batterien, Solarenergie oder Netzteile und steuert den Energiefluss intelligent, um die Batterie zu laden und gleichzeitig die angeschlossenen Geräte mit Strom zu versorgen.
Ziel dieses Artikels ist es, die intelligenten Energiemanagementfunktionen der integrierten Schaltungen von Analog Devices in einem kompakten Design ohne Leistungseinbußen zu untersuchen. Er beschreibt die Designüberlegungen, das Konzept und die Leistungsbewertung der Einplatinenlösung und hebt deren Verbesserungen gegenüber dem Mehrplatinen-Machbarkeitsnachweis hervor.

Blockdesign:
Dieses Layout zeichnet sich durch eine kompakte und optimierte Architektur aus, die zwei Eingangsspannungen mit großem Spannungsbereich unterstützt, insbesondere von einem Solarmodul und einem AC/DC-Netzteil. Die Leistungsaufnahme wird intelligent über den LTC4416 Abwärtswandler LTC4162. Diese Konfiguration ermöglicht das effiziente Laden verschiedener Lithium-Ionen-Akkus bis zu einer Konfiguration von 4S1P.

Abbildung 1. Blockkonstruktion mit Einzelplatte.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, verfügt das System über einen Aufwärts-/Abwärtswandler, LTC3115-1, der die Ausgangsspannung an die Last dynamisch regelt und eine konstante maximale Ausgangsspannung von 5 V und 2 A gewährleistet, während der LTC4162 den Ladezustand der Batterie überwacht.

Komponentenauswahl und Layoutgestaltung:
Die drei Hauptkomponenten optimieren die Systemleistung anhand der Blockkonfiguration. Sie wurden ausgewählt, um die Systemeffizienz zu steigern, Leistungsverluste zu minimieren, die Leiterplattenfläche zu reduzieren und die Gesamtkosten zu senken. Ihr Schaltplan ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Schematische Darstellung einer einzelnen Platte.

1. Duale Eingangsquellen mit dem LTC4416:
Eine einfache ODER-Gatter-Konfiguration mit Dioden kann zum Umschalten zwischen zwei Eingangsspannungsquellen verwendet werden. Dieser Ansatz führt jedoch aufgrund des inhärenten Spannungsabfalls der Dioden zu erheblichen Leistungsverlusten, selbst bei Verwendung von Schottky-Dioden mit niedrigem Spannungsabfall. Der LTC4416 ermöglicht ein nahtloses Umschalten zwischen zwei Quellen mit einem sehr geringen Spannungsabfall und reduziert so die Leistungsverluste. Durch die Ansteuerung externer P-Kanal-MOSFETs zur Emulation idealer Dioden verringert dieses Bauelement die Leitungsverluste signifikant und verbessert dadurch die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Systems.
Der LTC4416 arbeitet in sechs verschiedenen Modi. Jeder Betriebsmodus hängt von der Konfiguration der Eingangspins E1 und E2 ab, wie im Datenblatt angegeben. In dieser Konfiguration ist der gewählte Modus: V1 ist größer als V2, wobei E1 auf „Sense“ und E2 auf 0 gesetzt ist. Dies bedeutet, dass der Chip die Stromquelle V1 priorisiert. In diesem Betriebsmodus ist der IC so konfiguriert, dass er V1 in einem breiten Eingangsspannungsbereich von 15 V bis 35 V DC priorisiert, während die sekundäre Spannungsquelle V2 ein Solarpanel (3,6 V bis 15 V) ist. Sobald V1 ≥ 15 V ist, aktiviert E1 V1 als primäre Spannungsquelle und deaktiviert V2, da V1 eine höhere Spannung als V2 aufweist.
Fällt V1 auf 13,4 V, wird V2 zur primären Spannungsquelle und V1 vom Ausgang getrennt. Solange die Spannung des Solarpanels zwischen 3,6 V und 15 V liegt, versorgt V2 die Ausgangslast weiterhin mit Strom, bis V1 wieder auf dem Sollwert ist. Der Rücksetzpunkt von V1 ist auf 15 V eingestellt (siehe Abbildung 2).
Die Fehler- und Wiederherstellungspunkte von V1 können durch Ändern der Widerstandswerte R1, R2 und R3 in Abbildung 2 angepasst werden. Dies erfolgt mithilfe der Formel im Datenblatt.

Sobald V1 identifiziert ist, kann V2 ausgewählt werden, um die optimale Konfiguration zu gewährleisten. Fällt V1 aus oder ist nicht verfügbar, schaltet das System automatisch auf V2 um, um die Stromversorgung aufrechtzuerhalten, bis der Wiederherstellungspunkt erreicht ist, vorausgesetzt, V1 > V2. Da die Leistungsabgabe der höchsten Spannungsquelle folgt, erfolgt keine Wiederherstellung, wenn V2 > V1.

2. Intelligentes Strompfadmanagement.
In Anwendungen wie tragbaren Ladegeräten und anderen Geräten, die gleichzeitig Akkubetrieb und -ladung erfordern, ist die Implementierung eines Strompfad-Ladesystems eine ideale Lösung. Dieser Ansatz optimiert die Akkuleistung und verlängert die Lebensdauer durch effizientes Management der Stromverteilung zwischen System und Akku. Das System steuert die Stromzufuhr intelligent, indem es zwischen drei Quellen wählt: Netzteil, Solarpanel oder Akku. Netzteil oder Solarpanel dienen primär zum Laden des Akkus.
Fällt das Netzteil aus und sinkt die Spannung des Solarpanels unter den Mindestwert, schaltet das System automatisch auf den geladenen Akku um, um die Last zu versorgen. Der Ausgang des LTC4416-Stromversorgungspfads speist den LTC4162-L, der Eingangsspannungen bis maximal 35 V unterstützt.
Der LTC4162-L ermöglicht den sofortigen Betrieb auch mit einem entladenen oder fehlenden Akku und verfügt über ein integriertes MPPT-System (Maximum Power Point Tracking) zur Verbesserung der Solarenergieumwandlungseffizienz.
Bei intensiver Sonneneinstrahlung arbeitet das Solarpanel in zwei Bereichen: niedrige Impedanz bei konstanter Spannung und hohe Impedanz bei konstantem Strom. Dieses Verhalten gewährleistet, dass der Regelkreis des Geräts bei Betrieb mit niedrigerer Impedanz (z. B. im höheren Spannungsbereich) stabil bleibt. Da der integrierte Schaltkreis jedoch die Eingangsspannung zur Bestimmung des MPPT verwendet, sinkt die Spannung des Solarmoduls aufgrund der höheren Impedanz (z. B. im niedrigeren Spannungsbereich), was zu einer Instabilität des Regelkreises führt. Im vorliegenden Design arbeitet der Eingang des Solarmoduls mit hoher Impedanz (

3. Lithium-Ionen-Backup-Akku:
Das Ladegerät LTC4162 unterstützt Konfigurationen mit bis zu acht in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen (8S) und ist in verschiedenen Varianten erhältlich, die für unterschiedliche Akkutypen optimiert sind: LTC4162-L für Lithium-Ionen-Akkus, LTC4162-F für Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePO4) und LTC4162-S für Blei-Säure-Akkus. In dieser Ausführung ist die Kompatibilität mit Konfigurationen von bis zu 4S (1S- bis 4S-Stromversorgung) gestapelter Lithium-Ionen-Zellen gegeben, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1. Batteriekonfigurationseinstellungen

Diese Konfiguration wird mithilfe der Pins CELLS1 und CELLS0 gemäß den in Tabelle 1 angegebenen Zuordnungsrichtlinien definiert.

4. Schaltregler:
Die Ausgangsspannung des LTC4162-L wird durch einen synchronen Aufwärts-/Abwärts-Schaltregler geregelt. Der LTC3115-1 ist ein hocheffizienter, monolithischer, synchroner Aufwärts-/Abwärts-DC/DC-Wandler, der für Anwendungen mit einem breiten Eingangsspannungsbereich und geringem Rauschen entwickelt wurde. Er arbeitet zwischen 2,7 V und 40 V und kann bis zu 2 A Gleichstrom liefern. Dieser Schaltregler zeichnet sich zudem durch eine programmierbare Ausgangsspannung, einen sanften Übergang zwischen Abwärts- und Aufwärtsbetrieb sowie robuste Schutzfunktionen aus und eignet sich daher für industrielle Anwendungen und batteriebetriebene Systeme.
Er wurde aufgrund seines hervorragenden Wirkungsgrades und seines leisen Betriebs für diese Anwendung ausgewählt. Der Wandler kann bis zu 2 A liefern, wenn die Eingangsspannung 6 V übersteigt, und 1 A bei Spannungen über 3,6 V. Dadurch ist er sehr anpassungsfähig an unterschiedliche Stromversorgungsbedingungen. Für alle Batteriekonfigurationen (1S, 2S, 3S, 4S) wurde über den Stecker eine Unterspannungssperre (UVLO) konfiguriert, wie in Abbildung 2 (Stecker J5) dargestellt.

5. USB-Typ-C-Ausgang:
Der Ausgang ist als USB-Typ-C-Anschluss ohne Stromversorgung (PD) konfiguriert, um tragbare Geräte mit einer geregelten Ausgangsspannung von 5 V und einem Strom von bis zu 2 A zu laden. Tabelle 2 beschreibt die Auswahl der Widerstandswerte für verschiedene Stromquellen am USB-Anschluss.

Tabelle 2. Stromstärke, die von USB Typ-C ohne PD geliefert wird

Leistung der Einzelplatine:
Die Platine wurde speziell als 4-lagige Leiterplatte (PCB) entwickelt, um einen stabilen, rauschfreien und effizienten Betrieb zu gewährleisten (siehe Abbildung 3). Das Layout folgt einer SIG/Power – GND – GND – SIG/Power-Konfiguration. Die Platzierungsempfehlungen der einzelnen Komponenten werden im Datenblatt berücksichtigt. Die Platine wird über zwei Eingänge, V1 und V2, mit Strom versorgt, die zum Laden des Akkus und zum Betrieb der angeschlossenen Geräte dienen. Fällt die Hauptstromversorgung aus, übernimmt das Solarpanel bei hoher Sonneneinstrahlung die Stromversorgung und lädt gleichzeitig den Akku. Nachts oder bei geringer Sonneneinstrahlung und sinkender Solarpanelspannung erkennt das System dies automatisch und schaltet auf Akkubetrieb um, um den Betrieb der angeschlossenen Geräte aufrechtzuerhalten.

Abbildung 3. Einplatinenlösung im Betrieb und getestet.

Abbildung 4. Analyse des Einschwing- und Sprungverhaltens.
Bei einer 1S-Batteriekonfiguration schaltet sich der LTC3115-1 automatisch ab, um die Batterie durch Aktivierung der UVLO-Funktion zu schützen, sobald die Batteriespannung unter 3,3 V fällt. Dieser Mechanismus verhindert Tiefentladungen, die die Batterie beschädigen oder ihre Lebensdauer verkürzen können. Die UVLO-Schwelle lässt sich für jede Batteriekonfiguration präzise durch Ändern der Widerstandswerte R7, R19, R27 und R21 einstellen. Dies erfolgt mithilfe der UVLO-Formel im Datenblatt des LTC3115-1. Dadurch kann die minimale Spannungsgrenze je nach Anwendungsanforderungen auf bis zu 3,0 V festgelegt werden.
Zum Schutz der Schaltung vor falschen Batterieanschlüssen ist ein Verpolungsschutz mittels einer Diode (D3) und einer Sicherung (FUSE1) implementiert. Zusätzlich ist der Eingang durch die Body-Dioden der MOSFETs Q1, Q4 und Q3 gegen Verpolung geschützt, die als Barriere gegen unerwünschten Stromfluss wirken.
Das dynamische Verhalten des Systems unter variierenden Lastbedingungen wird anhand seiner Sprungantwort- und Einschwingcharakteristiken veranschaulicht (siehe Abbildung 4). Diese Abbildung demonstriert die Leistungsfähigkeit des Regelkreises und die Effektivität des verwendeten Kompensationsnetzwerks über einen weiten Betriebsbereich. Abbildung 5 zeigt das Prioritätsschaltverhalten des LTC4416-Ausgangs, wenn V1 von einer höheren Spannung auf 15 V sinkt. Der Ausgang des Bauelements schaltet nahtlos auf V2 bei 8 V um, wodurch sichergestellt wird, dass die Ausgangslast ee von der Spannungsänderung unbeeinflusst bleibt. Der Rücksetzpunkt von V1 ist auf 16,8 V eingestellt.

Abbildung 5. Prioritätsumschaltung des LTC4416 von V1 (15 V) auf V2 (8 V) bei konstanter Ausgangslastspannung (feste Ausgangslastspannung VOUT = 5 V; Laststrom = 1 A, R1 = 281 kΩ und R3 = 24,9 kΩ).

Vergleich gestapelter Demo-Boards mit einem Einzelboard.
Dieser Abschnitt bietet einen umfassenden Vergleich zwischen der Prototyp-Konfiguration mit mehreren Demo-Boards und der neu entwickelten Einzelboard-Lösung. Im Prototyp wurden drei unabhängige Demo-Boards verwendet: der LTC4416 zur Steuerung des idealen Diodenstrompfads, der LTC4162-L zum Laden des Akkus und für das Energiemanagement sowie das CN0509. Das CN0509 zeichnete sich insbesondere durch seinen breiten Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 100 V und seine Fähigkeit aus, eine geregelte 5-V-Ausgangsspannung mit bis zu 2 A bereitzustellen. Es kombiniert den LTC7103 isolierten Sperrwandler LT8302, um eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang zu gewährleisten.

Abbildung 6. Abmessungen der gestapelten Prototyp-Demonstrationsplatine im Vergleich zu denen der Einzelplatine.

Umgekehrt vereint das Single-Board-Design diese Funktionalitäten, indem es den LTC7103 und den LT8302 durch eine einzige Komponente ersetzt: den LTC3115-1. Ziel dieser Umstellung war die Verbesserung der Gesamtleistung des Systems durch höhere Effizienz, geringere Größe und kostengünstigere Materialkosten. Obwohl einige Funktionen, wie beispielsweise isolierte Ausgänge, wegfielen, resultierte der Kompromiss in einem schlankeren und praktischeren Design, das sich ideal für skalierbare Anwendungen eignet.

Physikalische Platinengröße
: Die Implementierung einer Einplatinenlösung optimiert das Gesamtsystemdesign erheblich, indem die Stückliste (BOM) um ca. 30 % und die Platinengröße reduziert werden (siehe Abbildung 6).
Darüber hinaus trägt die kompakte Bauweise der Einplatinenlösung zu einer effizienteren Stromversorgungsarchitektur bei. Durch die Integration mehrerer Funktionen auf einer einheitlichen Plattform wird das Design platzsparender und ermöglicht kleinere Bauformen ohne Leistungseinbußen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, wie z. B. tragbaren elektronischen Geräten.

Effizienz:
Eine der auffälligsten Verbesserungen dieser Platine ist ihre Fähigkeit zur hocheffizienten Stromversorgung. Die optimierte Stromversorgung reduziert Energieverluste, was wiederum längere Betriebszeiten und eine verbesserte Wärmeableitung ermöglicht. Hohe Effizienz ist besonders wertvoll bei batteriebetriebenen Geräten, da Energieeinsparung direkt zu längeren Batterielebensdauern führt. Durch die Minimierung von Energieverlusten und die Maximierung der Energienutzung trägt die Einzelplatinenlösung entscheidend zur Verbesserung der Systemleistung bei. Abbildung 7 zeigt, dass die Einzelplatinenlösung bei einer Eingangsspannung von 8 V einen maximalen Wirkungsgrad von 92,94 % und bei 10 V einen Wirkungsgrad von 91 % erreicht. Im Vergleich dazu erreichte die gestapelte Prototyp-Demoplatine bei 10 V Eingangsspannung lediglich einen maximalen Wirkungsgrad von 73,79 %. Der geringe Wirkungsgrad der gestapelten Prototyp-Demoplatine ist eindeutig auf Leistungsverluste in den Verbindungsleitungen der einzelnen Platinen sowie auf Verluste im Sperrwandler zurückzuführen.
Fallen beide Eingangsquellen aus, übernimmt die Batterie automatisch die Stromversorgung der Last. Mit einer 2S-Batteriekonfiguration mit einer Nennspannung von 7,4 V erreicht die Einplatinenlösung einen maximalen Wirkungsgrad von 94,52 %, verglichen mit 77,12 % beim gestapelten Prototyp-Demoboard. Dies zeigt, dass das Einplatinendesign die Batterieenergie im Systembetrieb effektiver nutzt (siehe Abbildung 7). Die optimierte Einplatinenlösung liefert einen maximalen Ausgangsstrom von 2 A bei einer Eingangsspannung von 6 V, während beim vorherigen Prototyp-Board ein maximaler Strom von 2 A erst bei 12 V erreicht wurde (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7. Ausgangsstromregelung und Wirkungsgrad (Einzelplatine vs. prototypische gestapelte Demonstrationsplatine).

Fazit:
Mit ADI-Komponenten wurde eine kompakte, integrierte Powerbank-Lösung auf einer einzigen Platine entwickelt. Das optimierte Design verbessert die Gesamteffizienz und reduziert den Platzbedarf. Die vielseitige und anpassungsfähige Architektur eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum mit batteriebetriebenen Geräten. Intelligentes Energiemanagement verlängert die Batterielebensdauer.
Dieses Konzept lässt sich in integrierten Automobilsystemen zur Kombination von Photovoltaik-Einspeisung mit anderen Energiequellen und Backup-Batterien in der Serienproduktion einsetzen. In solchen Konfigurationen können leistungsstarke ADI-Produkte wie der LTC4020.

Referenz:
Diarmuid, Carey. „Wie man einen Prototyp eines tragbaren Akkuladegeräts erstellt, ohne spezielle Hardware zu bauen.“ Analog Dialogue, Februar 2023.

Über den Autor

Dr. Uchechukwu Maduagwu arbeitet als Applikationsingenieur im zentralen Applikationsteam in Dublin. Er ist seit 2023 bei Analog Devices tätig und unterstützt die Entwicklung des Energiemanagement-Portfolios für Kunden im gesamten europäischen Markt. Dr. Uchechukwu verfügt über mehrere akademische Abschlüsse.