Power-Management-ICs Längere Batterielebensdauer sorgt für langlebigere Mobilgeräte

Der Mobile-Computing-Markt ist hart umkämpft, und ein wichtiges Kaufkriterium ist die Batterielebensdauer. Dabei zählt nicht nur, wie viel Nutzung pro Batterieladung möglich ist, sondern auch die konstante Nutzung pro Ladezyklus – und das über die gesamte Produktlebensdauer hinweg.

Die Batterieladekapazität entwickelt sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit weiter wie die Rechnerbausteine für Mobilgeräte, die sich nun von Wearables bis hin zu Notebooks erstrecken (Bild 1 und Bild 2). Hersteller suchen daher nach Möglichkeiten, die Batteriezellen so zu konfigurieren, dass sie mehr Energie bereitstellen, als es die Technik ermöglicht. Die Co-Optimierung des Batterieaufbaus und der Systemarchitektur sorgt für eine höhere Leistungsausbeute und damit für eine längere Lebensdauer.

Heutige Mikroprozessoren und System-on-Chip-Bausteine (SoCs) benötigen hohe Ströme bei niedrigen Spannungen, was zu einem hohen Spitzenstrombedarf führt. Die Zeiten in denen maximaler Strom erforderlich ist, können kurz sein, aber sie beeinflussen erheblich, wie lange Systeme zwischen Ladezyklen arbeiten können und wie lange deren Gesamtlebensdauer ist.

Heutige SoCs ziehen viel Strom aus der Batterie. Um deren Energieeffizienz zu erhöhen, verringerten die Hersteller die Core-Spannungen, die mittlerweile weit unter 1 V betragen. Die dort eingesetzten PoL-Abwärtswandler (Point of Load) arbeiten mit einem höheren Wirkungsgrad, wenn das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung niedrig ist. Dabei scheint es, dass Batteriekonfigurationen mit niedriger Spannung weniger Leistungsverluste bieten und sicherstellen, dass das System zwischen den Ladezyklen arbeiten kann. Geringere Versorgungsspannungen bedeuten jedoch höhere Ströme aus der Batterie.

Eine wiederholte Entladung bei hohen Entladeraten verringert die effektive Kapazität der Batterie erheblich. Darum empfehlen Batteriehersteller je nach Lebenszyklus eine maximale Entladerate für ihre Produkte. Bei einer durchschnittlichen Entladung von 2 A kann eine Batterie mehr als 95 Prozent ihrer Nennkapazität nach 500 Lade-/Entladezyklen speichern. Bei durchschnittlich 20 A fällt die effektive Kapazität auf 70 Prozent und beschränkt damit die nutzbare Lebensdauer der Batterie. In älteren Designs war die Batterie oft austauschbar. Der Wunsch nach längeren Betriebszeiten zwischen den Ladezyklen hat die Hersteller jedoch dazu gezwungen, integrierte Batterien zu verbauen, die nicht so einfach austauschbar sind.

Integrierte Batterien bieten mehr Kapazität

Dieser integrierte Batterieansatz bietet mehr Möglichkeiten, zusätzliche Kapazität bereitzustellen. Einige wandelbare Tablets enthalten integrierte Batterien an mehreren Stellen innerhalb des Geräts und des Tastaturmoduls, um eine höhere Gesamtkapazität als bei einem vom Benutzer zugänglichen Batteriepack zur Verfügung zu stellen. Die Kapazität der integrierten Batterie über der Lebensdauer wird daher immer wichtiger.

Batteriekonfigurationen werden durch die Anordnung ihrer Zellen näher bezeichnet, um eine bestimmte Ausgangsspannung und einen Spitzenstrom zu erreichen. Die Zellen können parallel angeordnet sein, sodass sich der Spitzenstrom um die Zahl der Zellen in dieser Anordnung multipliziert. Eine 2P-Konfiguration verdoppelt also den Strom. Bei einer Serienschaltung wird stattdessen die Ausgangsspannung erhöht. Eine 2S-Anordung verdoppelt demnach die Ausgangsspannung. Einige Systeme (vor allem Laptops) verwenden einen gemischten Aufbau, zum Beispiel eine 3S2P-Konfiguration. Kleinere Systeme weisen oft eine 1S-, 2S- oder 3S-Anordnung auf.

In vielen Designs unterstützt die 2S-Konfiguration für Lithium-Polymer-Batterien die von den Herstellern gewünschte Gehäuseoption als auch die Spannungskompatibilität für immer mehr tragbare Geräte wie Smartphones, Phablets, wandelbare Tablets bis hin zu Notebooks. Für Notebooks bietet die geringere Spannung im Vergleich zu früheren 3S- und 4S-Konfigurationen mehr Kompatibilität zu den heutigen Core-Spannungen, ohne eine zu hohe Entladungsrate von der Batterie zu fordern. Bei größeren Smartphones garantiert die Spannung, dass der Spitzenstromverbrauch in einem Bereich verbleibt, der die langfristige Batteriekapazität nicht beeinträchtigt und heutige Formfaktoren unterstützt.