Autor: Kyle Johnson, Anwendungsingenieur
USB-C-Anschlüsse werden zum Standard für Verbrauchergeräte und bieten eine größere Flexibilität als frühere USB-Anschlüsse. Sowohl eine höhere Leistung als auch eine höhere Akkulaufzeit erfreuen sich bei diesen Geräten immer größerer Beliebtheit. Und dies bringt die Notwendigkeit mit sich, die Batterie mit höheren Leistungen zu laden. In diesem Artikel werden die architektonischen Grundlagen für das parallele Laden von Akkus und Anwendungsfälle sowie die Hinzufügung des USB-C-Standards vorgestellt. Darüber hinaus werden die Integration, Vorteile und mögliche Nachteile des parallelen Ladens sowie von USB-C im Verbrauchermarkt behandelt.
Was ist Parallelladen?
In Batteriemanagementsystemen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Batteriekonfiguration so zu gestalten, dass unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden. Man könnte die Batterien in Reihe schalten, so dass die Spannung erhöht wird, die Kapazität jedoch erhalten bleibt, was häufig in Hochleistungssystemen eingesetzt wird. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Batterien parallel zu platzieren, was zu einer Batterie mit größerer Kapazität, aber gleicher Spannung führt.
Da Autonomie nun ein entscheidender Faktor für Verbrauchergeräte ist, müssen Hersteller kreativ sein, um die Batterie- oder Akkukapazität zu schonen und zu maximieren. Der beste Weg, eine Lösung zu implementieren, die die Batterielebensdauer verlängert, ist die Entwicklung eines parallelen Ladesystems. Diese einfache Lösung ermöglicht das gleichzeitige Laden mehrerer Akkus, wodurch die Lebensdauer des Akkus verlängert und die Zuverlässigkeit für den Benutzer erhöht wird. Abbildung 1 zeigt eine grundlegende Beschreibung der typischen Serien- und Parallelkonfigurationen, die häufig verwendet werden.
Abbildung 1. Reihen- und Parallelbatteriekonfiguration.
Integration von USB-C in den Parallellademarkt
Wie oben erwähnt, können USB-C-Anschlüsse und -Geräte mit höherer Leistung aufgeladen werden als die bisherigen USB-2.0- und USB-3.0-Anschlüsse. Die neueste Version der USB-C-Spezifikation namens Power Delivery 3.1 kann bis zu 240 W liefern. Für die meisten Geräte wäre es heutzutage übertrieben, aber es unterstreicht die größere Robustheit, die USB-C im Vergleich zu seinen Vorgängern bietet. Diese Leistungssteigerung bei USB-C-Paaren passt perfekt zur aktuellen Nachfrage des Verbrauchermarktes nach hoher Leistung und größerer Autonomie und Akkulaufzeit. So wie die Batteriekapazität bei Verwendung einer Parallelkonfiguration zunimmt, steigt auch der Strombedarf des Ladegeräts, das sie versorgt. Darüber hinaus besteht eines der Ziele darin, die Verfügbarkeit des Geräts zu maximieren. Dabei ermöglicht die höhere Leistung von USB-C ein schnelleres Aufladen des Geräts, was zu einem besseren Benutzererlebnis führt, ohne dass es ständig an ein Kabel angeschlossen sein muss .
Vorteile und Nachteile
Paralleles Laden mit USB-C wurde bereits auf unterschiedliche Weise umgesetzt und wird sich auch weiterhin in Verbraucheranwendungen verbreiten. Obwohl USB-C-Anschlüsse und -Kabel für den Verbrauchermarkt hinsichtlich Leistung, Kosten und Einfachheit sehr vorteilhaft wären, gibt es auch einige Nachteile, die es zu beachten gilt.
| Einzelkabel | Strom und Daten im selben Kabel, geeignet für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot |
| Hohe Energie | Erhöhte Kapazität und Leistungsstufen ermöglichen ein breiteres Anwendungsspektrum, das sowohl Geräte mit geringem Stromverbrauch als auch Werkzeuge und Computer mit höherer Leistung umfasst. |
| Zeitersparnis | Die Fähigkeit von USB-C, mit höheren Strömen zu laden, ermöglicht das parallele Laden von Akkus, wodurch die zum Laden erforderliche Zeit drastisch verkürzt wird. |
| Einfache Integration | Der USB-C-Anschluss ist umkehrbar und kann in beide Richtungen angeschlossen werden. Zum Parallelschalten von Batterien muss lediglich die Quelle an die Batterieklemmen angeschlossen werden. |
| Reduzierung von Elektroschrott | Die Verwendung eines herkömmlichen USB-C-Ladegeräts reduziert den Elektroschrott weltweit erheblich |
Tabelle 1. Vorteile von USB-C und parallelem Akkuladen
| Unterschiede in den Ports | Wenn die Ports nicht übereinstimmen, kann es zu Komplikationen zwischen den Leistungsstufen kommen. Zu den Anschlüssen gehören Thunderbolt, PD 3.1 und PD 3.0 |
| höhere Kosten | Die zusätzlichen Batterien sowie die Anschlüsse und Kabel, die höhere Leistungsstufen ermöglichen, erfordern eine fortschrittlichere Technologie und daher höhere Kosten im Vergleich zu früheren Versionen. |
| Ersatz | Die neuen USB-C-Kabel werden dazu führen, dass die veralteten USB-A-, USB-B- und Micro-USB-Kabel ausgemustert und ersetzt werden. |
| Größere Größe | Das Hinzufügen zusätzlicher Batterien erfordert mehr Platz und kann bei Anwendungen, bei denen die Größe eine entscheidende Rolle spielt, ein Problem darstellen. |
| Erhöhte Komplexität | Das Einbinden zusätzlicher Batterien erfordert ein komplexeres Management, beispielsweise die Notwendigkeit, die Ladungen auszugleichen und sicherzustellen, dass die Ladezyklen bei ähnlichen Spannungsniveaus beginnen, um eine Beschädigung der Batterien oder Kabel zu vermeiden. |
Tabla 2. Nachteile von USB-C und parallelem Akkuladen
Ein Beispiel mit dem MAX17330
Abbildung 2 zeigt ein Beispiel der wichtigsten Werkzeuge, die zum Erstellen einer parallelen Batterieladeumgebung benötigt werden, den MAX17330. Diese Referenz ist Batterieladegerät, Tankanzeige und Schutz in einem. Der MAX17330 wird von einem USB-C-kompatiblen Ladegerät oder Konverter mit Strom versorgt, sodass der MAX17330 Akkus mit hoher Geschwindigkeit aufladen kann und der Benutzer das Gerät länger nutzen kann. Darüber hinaus können die Akkus beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite des AR/VR-Headsets oder auf beiden Seiten eines faltbaren Mobiltelefons platziert werden. Zu den Vorteilen der Verwendung dieser Referenz gehören beispielsweise die Optimierung durch Reduzierung von Stürzen und Hitze, die Verhinderung von Querladungen zwischen Batterien und die Möglichkeit, parallele Akkus unabhängig voneinander aufzuladen.
Reale Anwendungen für den MAX17330
In diesem Artikel wurden die Vor- und Nachteile aufgezeigt und eine Einführung in die Kombination von parallelem Akkuladen und USB-C gegeben. Da wir nun mit dem Thema besser vertraut sind, ist es der ideale Zeitpunkt, auf reale Anwendungen für diese Referenz hinzuweisen. Paralleles Laden von Akkus und USB-C haben bereits in mehreren Bereichen des Verbrauchermarktes Einzug gehalten. Dazu gehören unter anderem AR/VR-Headsets, Akku-Bohrschrauber und andere Werkzeuge, Laptops und Tablets.
Die zuvor in Tabelle 2 diskutierten Herausforderungen verursachen bestimmte Schwierigkeiten bei der Bewältigung eines Entwurfs mit diesen Merkmalen. Wo analoge Geräte ins Spiel kommen, ist das Ersetzen der Blöcke in Abbildung 2 durch den MAX17330 zusammen mit dem MAX77958 anstelle des USB-C-Controllers und dem MAX77986 anstelle der Downstream-Quelle. Der MAX77958 ermöglicht Designern die Vereinfachung des Designs mit einer integrierten Lösung und adaptiver Firmware, die die USB-C-Stromversorgung reguliert, während der MAX77986 als Downstream-Quelle für USB-C fungieren und andere Teile des Produkts mit Strom versorgen kann. Diese Art der Montage ist ideal für Anwendungen mit einem Leistungsbedarf von 15 W oder mehr. Für Anwendungen mit weniger als 15 W ist der MAX77789 die ideale Lösung, der ein 1A-3S-Ladegerät und einen USB-C-Detektor kombiniert. Um die Lösung zu testen, ist das Evaluierungskit sowohl für den MAX17330 als auch für den MAX77789 erhältlich.
Abbildung 2. Blockdiagramm der parallelen Batterieladeumgebung mit dem MAX17330.
Fazit
In der heutigen Welt besteht das einzige Ziel darin, die Effizienz zu maximieren und so wenig Zeit wie möglich mit Produkten zu verschwenden. Alle diese von Analog Devices angebotenen Produkte können kombiniert werden, um Kunden die Integration von USB-C-Schnellladelösungen mit parallelen Akkupacks zu ermöglichen. Dies führt zu einer besseren Effizienz, da das Produkt eine längere Autonomie und eine kürzere Ladezeit hat. Da sich der Verbrauchermarkt ständig weiterentwickelt, müssen sich Designer schnell anpassen und Lösungen finden, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden. Sowohl USB-C als auch das parallele Laden von Akkus sind die nächste Lösung für das sich ständig ändernde Problem, wie Geräte der nächsten Generation mit Strom versorgt werden können.
