Synchroner Aufwärtswandler Batterielaufzeit verlängern

Bei portablen Geräten ist eine möglichst lange Batterielaufzeit immer eines der wichtigsten Designziele. Das bedeutet, dass jedes einzelne Bauteil auf niedrigen Verbrauch zu optimieren ist. Dies gilt auch für Wandler-ICs selber. Bei ihnen muss der Ruhestrom möglichst niedrig sein.

Boost-Wandler, auch Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller genannt, wandeln aus den geringen Batteriespannungen in tragbaren Geräten gewöhnlich die höheren Betriebsspannungen. Dabei bestehen die Batteriekonfigurationen meist aus zwei oder drei Alkaline- oder NiMH-Zellen oder in zunehmendem Maß aus Li-Ionen-Akkus, die typische Spannungen zwischen 1,8 V und 4,8 V liefern.

Der Wandler in Bild 1 liefert 12 V und arbeitet typischerweise an kleinen Batterien. Mittelpunkt des Designs ist der Baustein »LTC3122« von 
Linear Technology, der aus einer Eingangsspannung von 1,8 V bis 5,5 V eine geregelte Spannung bis 15 V liefert. Das IC in seinem thermisch verbesserten Gehäuse von 3 mm x 4 mm enthält eine interne 
Schaltstrombegrenzung bei 2,5 A und ergänzende Merkmale, die für viele Hochsetzsteller-Schaltungen wichtig sind. Hierzu zählen programmierbare Schaltfrequenz, Unterspannungsabschalten (UVLO), Burst-Mode-Betrieb oder kontinuierlicher Betrieb sowie eine echte Abtrennung des Ausgangs (Output Disconnect). Der integrierte synchrone Gleichrichter schaltet ab, wenn der Strom in der Drossel gegen Null geht, was Spulenströme in die verkehrte Richtung (Reverse Current) verhindert und Leistungsverluste bei leichten Lasten minimiert.

Die Möglichkeit, den Ausgang abzutrennen, ist besonders in Applikationen wichtig, die lange im Leerlauf sind. In diesem Zustand kann der Wandler abgeschaltet werden  und zieht nur 1 µA, wobei der Ausgangskondensator für schnelles Einschalten vollgeladen bleibt.

Batterien in portablen Geräten sind normalerweise so klein wie möglich und haben unter großen Lasten einen hohen Innenwiderstand, besonders gegen Ende des Entladezyklus. Anders als andere Aufwärtswandler, die wegen der hohen Quellenimpedanzen beim Anlaufen Probleme haben, verhindert der LTC3122 Spannungseinbrüche beim Anlaufen.

Keine Probleme beim Starten

Die Schaltung in Bild 1 wurde auf hohe Effizienz und geringen Platzbedarf getrimmt. Der LTC3122 arbeitet bei 1 MHz, das minimiert die Größe der Filterkondensatoren und der Induktivität. Durch Burst-Mode-Betrieb maximiert sich der Wirkungsgrad bei niedriger Last (Bild 2). Bei größeren Lasten kann der Wandler mit konstanter Frequenz arbeiten, was zu einem geringeren Brumm an Ein- und Ausgang führt, was die Störabstrahlung und damit den Filteraufwand vermindert.

Durch einen Betrieb bei relativ niedrigen Schaltfrequenzen lässt sich die Effizienz steigern.

Bild 3 zeigt dies nach einer Reduzierung von 1 MHz auf 500 kHz. Den Wirkungsgrad kann man aber auch durch eine größere Spule verbessern (Bild 4). Indem man etwa die 4 mm x 4 mm große »XAL4030-472« von Coilcraft durch eine 7 mm x 7 mm große Drossel vom Typ »744-777-910« von Würth ersetzt, steigt der Wert um fünf Prozentpunkte auf 90% bei 10 mA.

Bei der Dimensionierung der Drosseln muss der Entwickler die Größe der Batterie berücksichtigen. Verwendet er eine relativ kleine Spule bei einer hohen Frequenz, wird eine Batterie mit höherer Kapazität erforderlich, um wegen der geringeren Effizienz dieselbe Laufzeit zu erzielen. Mit anderen Worten: Der mit einer kleineren Induktivität gewonnene Platz hätte zur Folge, dass man eine größere Batterie benötigt.

Typische Hochsetzsteller können wegen der Boost-Diode den Ausgang nicht vom Eingang trennen. Es fließt immer ein Strom vom Eingang durch Drossel und Diode zum Ausgang. Deshalb lässt sich der Ausgang nicht kurzschließen oder vom Eingang trennen. Das ist in vielen Applikationen ein Problem, besonders beim Abschalten.

Abtrennen des Ausgangs

Im Gegensatz dazu enthält der LTC3122 einen internen Schalter, der die Bodydiode des Boost-MOSFETs vom Ausgang trennt. Dadurch lässt sich der Einschaltstrom begrenzen und Stromeinbrüche auf der Eingangsquelle verringert. Bild 5 zeigt, wie der Ausgang des Schaltreglers beim Abschalten abgetrennt ist. Die Ausgangsspannung wird nach dem Abschalten durch die Last auf null gezogen. Der Baustein benötigt dann nur noch 1 µA.

Um echten Batteriebetrieb zu simulieren, wurde die Schaltung in Bild 1 mit äquivalentem Serienwiderstand (ESR) von 1 Ω zwischen Quelle und dem LTC3122 getestet. Startet der LTC3122, steuert er die Startup-Phase so, dass die Eingangsquelle den Ausgang in den Regelbereich bringt. Der Eingangsstrom steigt langsam an und das Überschwingen des Eingangsstroms, das erforderlich ist, um den Ausgangskondensator zu laden, wird auf 200 mA begrenzt. Der Spannungsabfall der Eingangsquelle wird ebenfalls auf 0,5 V limitiert (Bild 5).

Über den Autor:

Goran Perica ist Applikationsingenieur bei Linear Technology.