Ricoh führt zwei winzige Lithium-Ionen-Schutz-ICs für tragbare Geräte ein

Ricoh Electronic Devices Co., Ltd., Japan, hat die Schutz-ICs R5441 und R5443 für Lithium-Ionen-Akkus in einem Wafer-Level-Chipscale-Gehäuse (WLCSP) auf den Markt gebracht. Diese extrem kleinen Produkte wurden speziell für die Verwendung in wiederaufladbaren Smart Watches, drahtlosen Hörgeräten, Fitnesstrackern und anderen kleinen mobilen Geräten entwickelt.

Tragbare Geräte sind mit einem kleinen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku mit einer Kapazität zwischen 50 und 100 mAh ausgestattet und stellen neue anspruchsvolle Anforderungen an die internen Komponenten, wie extrem kleine Gehäusegrößen, geringen Stromverbrauch im eingeschalteten Zustand und im Standby-Modus, sowie auch ausgeklügelte Sicherheitsschaltungen. Die Modelle R5441 und R5443 erfüllen diese Anforderungen voll und ganz. Der R5443 ist die kleinste Version und besitzt eine Platinengröße von nur 1,05 mm2 und eine Dicke von 0,36 mm. Er gilt als einer der kleinsten einzelligen Lithium-Ionen-Schutz-ICs, die zurzeit erhältlich sind. Er ist etwa 53 % kleiner als die gängigen Schutz-ICs in einem 1,4 x 1,4 mm großen DFN-Gehäuse.

Ein wichtiges Detail des R5441/R5443 ist, dass der Stromverbrauch der ICs gleich oder geringer ist als der der meisten verfügbaren Lösungen auf dem Markt und er damit dazu beiträgt, die Selbstentladungsrate des Akkupacks zu reduzieren. Im Normalbetrieb beträgt der Stromverbrauch 3,5 µA bzw. 2,5 µA. Sobald die Akkuspannung unter den Schwellenwert für die Überentladespannung fällt, wechselt das Produkt in einen Standby-Modus und deaktiviert mehrere interne Schaltkreise zum Senken des Stromverbrauchs auf 0,04 µA, wodurch eine weitere Entladung des Akkus auf ein Minimum reduziert wird.

Bei bestimmungsgemäßer Verwendung sind Lithium-Ionen-Akkus im Allgemeinen sicher, können im Fall einer internen oder mechanischen Fehlfunktion jedoch zu einer möglichen Gefahrenquelle werden. Es kann zu Überhitzung, Rauchaustritt oder Schlimmerem kommen; aus diesem Grund überwacht der Schutz-IC die Lade- und Entladeprozesse und unterbricht diese, sobald der Prozess Gefahr läuft, den sicheren Betriebsbereich der Akkuzelle zu verlassen. Die folgenden Prozesse werden überwacht:

  • Überladespannung: Die Akkuspannung übersteigt für einen bestimmten Zeitraum den Ladegrenzwert.
  • Überentladespannung: Die Akkuspannung übersteigt für einen bestimmten Zeitraum den Entladegrenzwert.
  • Überentladestrom: Der Akkustrom übersteigt für einen bestimmten Zeitraum den Entladegrenzwert.
  • Überladestrom: Der Akkustrom übersteigt für einen bestimmten Zeitraum den Ladegrenzwert.
  • Kurzschlussstrom: Der Akkustrom übersteigt für einen bestimmten Zeitraum den Entladegrenzwert für Kurzschlüsse.

 

Sowohl der R5441 als auch der R5443 bieten eine verbesserte Schwellenwertgenauigkeit für Überladespannungen von ±10 mV gegenüber ±30 mV bei regulären Produkten. Dieser Funktion liegt die Idee zugrunde, die Ladespannung zu erhöhen, während die Sicherheitsstufe beibehalten wird. Infolgedessen wird die Akkuspannung um 40 mV erhöht und die Akkulebensdauer verlängert, was vor allem für Anwendungen mit geringen Akkukapazitäten eine Rolle spielt.

In der Regel wird der MOSFET-On-Widerstand verwendet, um den Stromfluss des Akkupacks zu messen. Der On-Widerstandsgrad ist jedoch äußerst ungenau, da er von verschiedenen Kriterien wie Umgebungstemperatur, Gate-Spannung und MOSFET-Typ abhängt. Für eine verbesserte Stromerkennung verwenden der R5441 und der R5443 einen externen Strommesswiderstand. Dieser Widerstand kann mit Ihrem bevorzugten Widerstandswert und Genauigkeitsgrad bestellt werden. Der große Vorteil bei der Verwendung eines externen Widerstands liegt darin, dass die Spanne des Überstromschwellenwerts im Vergleich zur MOSFET-Strommessmethode beträchtlich verbessert wird.

Der R5441 verfügt über einen zusätzlichen Schaltkreis zur Temperaturüberwachung des Akkupacks durch Anschluss eines externen NTC-Widerstands an den TIN-Kontakt. Wird eine Übertemperatur erkannt, wird der Lade- oder Entladeprozess unterbrochen. Es ist sogar möglich, verschiedene Temperaturschwellenwerte für Überladung und Überentladung festzulegen.

Optionale Funktionen:

  • Optionale Sperr- und automatische Freigabefunktionen für die Überwachungsschaltkreise für Überladung und Überentladung sind verfügbar. Eine Sperrfunktion unterbricht den Lade- oder Entladeprozess so lange, bis ein Verbraucher oder ein Ladegerät angeschlossen wird. Die automatische Freigabefunktion gibt die Unterbrechung unter derselben Bedingung frei, sowie wenn die Freigabeschwelle überschritten wird.
  • Schaltzeitverzögerungen sind intern festgelegt und bedürfen keiner externen Komponenten.
  • Mit der 0-V-Akkuladefunktion ist es möglich, das Aufladen zu verhindern, wenn die Akkuspannung unter den Tiefentladungsschwellenwert fällt. In so einem Fall würde es sehr lange dauern, den Akku zu laden, und/oder es könnte zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung kommen.

 

R5441 R5443 Features:

Absolute Maximum Rating

12 V

Supply Current at Normal Mode

Typ.3.5 μA

Standby Current

Max.0.04 μA

Over-charge Detection Voltage

4.2 V to 4.6 V (in 0.005 V step, ±10 mV)

Over-discharge Detection Voltage

2.0 V to 3.4 V (in 0.005 V step, ±2.0%)

Discharge Overcurrent Detection Voltage

0.015 V to 0.050 V in 0.001 V step / 0.050 V to 0.150 V in 0.005 V step
0.015 V to 0.030 V: ±3 mV / 0.030 V to 0.050 V: ±10% / 0.050 V to 0.150 V: ±5 mV

Charge Overcurrent Detection Voltage

-0.150 V to -0.015V
-0.030 V to -0.015 V in 0.001 V step / -0.150 V to -0.030 V in 0.005 V step
-0.020 V to -0.015 V: ±4 mV / -0.040 V to -0.020 V: ±20% / -0.150 V to -0.040 V: ±8 mV

Short-circuit Detection Voltage

0.040 V to 0.280 V (in 5 mV step, ±5 mV)

Thermal Detection Temperature (R5443 only)

40°C to 70°C (in 5°C step, ±3°C)

Thermal Release Hysteresis Temperature (R5443 only)

0°C to 5°C (in 1°C step)

Over-charge Detection Delay Time

1.0 s

Over-discharge Detection Delay Time

16 / 32 / 128 ms

Discharge Overcurrent Detection Delay Time

8 /16 / 32 / 128 / 256 / 512 / 1024/ 3072 ms

Short-circuit Detection Delay Time

280 μs

Charge Overcurrent Detection Delay Time

8 ms

Thermal Detection Delay Time (R5443 only)

128 / 256 / 512 / 1024 ms

Thermal Release Delay Time (R5443 only)

128 ms

0 V-battery Charge Option

Available / Unavailable

Discharge Overcurrent Release Option

Auto Release Type / Latch Type

Package R5441 / R5443

WLCSP-8-P2 / WLCSP-6-P7

Dimensions R5441 / R5443

W1.51 x L0.92 x H0.36 mm / W1.25 x L0.84 x H0.36 mm

 

Datenblatt zum R5441

Datenblatt zum R5443

  

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