HF-kompatible Schaltwandler Funken mit wenig Strom

Low-Power-Funkanwendungen sind sowohl im industriellen als auch im Consumerbereich weit verbreitet. Allerdings ist gerade der HF-Teil relativ stromhungrig. Durch eine neue Generation von Schaltwandlern, welche die HF-Leistungsmerkmale der Funk-ICs nicht beeinträchtigt, lässt sich der Stromverbrauch des Systems senken und damit die Batterielaufzeit verlängern.

Low-Power-Funkverbindungen finden sich in so unterschiedlichen Anwendungen wie beispielsweise Wireless-Metering oder Spielekonsolen. Aus Kosten- beziehungsweise Zuverlässigkeitsgründen werden solche Anwendungen auch in Zukunft überwiegend mit Primärbatterien oder zunehmend mit wiederaufladbaren Batterien als Energiequellen versorgt werden. Traditionell kommt die Energie für die Systemkomponenten direkt aus der Batterie.

Der Stromverbrauch von Low-Power-Funk-ICs lässt sich reduzieren, indem diese nicht direkt an der Batteriespannung, sondern mit der jeweils optimalen Betriebsspannung versorgt werden. Dafür sind jedoch effiziente Spannungswandler nötig, vorzugsweise also Schaltwandler. Dieser Beitrag behandelt zwei verschiedene, auf HF-kompatiblen Schaltwandlern basierende Stromversorgungskonzepte für Anwendungen, die von Primärzellen oder wiederaufladbaren Batterien gespeist werden.

Bild 1 zeigt ein typisches Stromprofil des »CC2540« von Texas Instruments, einem Bluetooth-Low-Energy-SoC (System on Chip). Dieser Baustein integriert unter anderem einen HF-Transceiver für 2,4 GHz sowie einen Mikrocontroller. Die überwiegende Zeit verbringt der Chip im Schlafmodus, der Stromverbrauch reduziert sich hierbei bis auf 0,4 µA.

Im aktiven Zustand treten Stromspitzen beim Senden und Empfangen auf - im Beispiel bis zu 17 mA. Der prinzi-pielle Kurvenverlauf des Stromprofils ist charakteristisch für eine Low-Power-Funkanwendung, jedoch können die Zeitverläufe für Schlafmodus, TX (Senden) und RX (Empfangen) je nach Anwendung, verwendetem Funkprotokoll und -standard schwanken. Der Spitzenstrom beim Senden ist auch abhängig vom eingestellten Sendepegel.

Abwärtswandler mit Bypass

Die Low-Power-HF-ICs benötigen üblicherweise eine Versorgungsspannung im Bereich von 2 V bis 3,6 V (z.B. CC2540/41) und wurden daher bisher direkt von einer 3-V- oder 3,6-V-Batterie versorgt. Die Leistungsaufnahme der Funk-ICs lässt sich insbesondere im aktiven Modus - also beim Senden, Empfangen und während der Datenverarbeitung - optimieren, indem der Baustein möglichst mit der minimalen Versorgungsspannung betrieben wird, zum Beispiel bei 2,1 V.

Bild 2 zeigt ein neues Versorgungskonzept. Es basiert auf einem Abwärtsschaltwandler, der die Versorgungsspannung des HF-Systems im aktiven Modus auf konstante 2,1 V regelt, sowie einem parallelgeschalteten Bypass-Schalter, über den das System im Schlafmodus direkt von der Batterie versorgt wird, während der Tiefsetzsteller abgeschaltet ist.

Der Vorteil des Bypass-Schalters liegt darin, dass er im Gegensatz zum Schaltwandler im Schlafmodus kaum Strom verbraucht und damit den Leistungsverbrauch des Systems praktisch nicht beeinträchtigt. Dieses Versorgungskonzept ist im Baustein »TPS62730« von Texas Instruments integriert. An den Abwärtsschaltwandler werden für Low-Power-Funkanwendungen besondere Anforderungen gestellt, wie

  • hoher Wirkungsgrad,
  • keine negative Beeinflussung der HF-Performance des Systems,
  • kleine Baugröße, d.h. Betrieb mit kleinen Spulen und Kondensatoren und
  • niedrigster Stromverbrauch im Bypass-Modus.

Dies wird in dem Baustein durch folgende Leistungsmerkmale sichergestellt:

  • typisch 30 nA im Bypass-Modus,
  • Bypass-Schalter mit 2,1 Ω (typ.),
  • bis zu 95% Wirkungsgrad,
  • HF-kompatibel durch hohe Schaltfrequenz bis 3 MHz und
  • kleinem Ausgangs-Spannungs-ripple (< 15 mV (Spitze-Spitze)),
  • fest voreingestellte Ausgangsspannung durch integrierten, abschaltbaren Feedback-Spannungsteiler und
  • Betrieb mit kleinen externen Komponenten (L = 2,2 µH, COUT = 2,2 µF).

Aus der Grafik im Bild 3 kann man entnehmen, dass sich mit Hilfe des Schaltwandlers TPS62730 der Strom aus der Batterie in Abhängigkeit von der Batteriespannung um bis zu 33% reduzieren lässt, unabhängig davon, mit welchem TX-Pegel gesendet wird. Eine vergleichbare Einsparung wird auch beim Empfangen erreicht.

Im Bild 4 ist die Implementierung des Schaltwandlers zusammen mit dem Funk-SoC CC2540 dargestellt. Dabei stellt Letzterer ein Power-down-Signal zur Verfügung, um den Betriebsmodus des TPS62730 (Bypass- oder Schaltwandlermodus) zu steuern.

In Low-Power-Funkanwendungen werden häufig Lithium-Primärbatterien verwendet, zum Beispiel Lithium-Thionylchlorid (LiSOCl2 mit 3,6 V Leerlaufspannung) oder Li-Mangandioxid (LiMnO2 mit 3,0 V). Selbst wenn der maximale Spitzenstromverbrauch in diesen Anwendungen nur einige zehn Milliampere beträgt, so muss man die Erhöhung des Innenwiderstands der Batterie mit zunehmender Entladung berücksichtigen, um die gewünschte Batterielebensdauer zu erhalten.

Bild 5 zeigt, wie sich das Pulslastverhalten einer LiSOCl2-Batterie im Neuzustand und im zu etwa 90% entladenen Zustand verändert. Dabei kann der Innenwiderstand so hoch werden, dass es nicht mehr möglich ist, die benötigte Energie für das Senden beziehungsweise Empfangen des Funks-ICs aus der Batterie zu ziehen. Als Folge bricht die Batteriespannung bei Pulslast soweit ein, dass das System nicht mehr arbeiten kann.

In der Batterie befindet sich aber immer noch genug Energie, die aber nicht mehr genutzt werden kann. Um dem entgegenzuwirken muss ein Pufferkondensator CBUF aus Bild 4 parallel zur Batterie geschaltet werden. Er sollte so bemessen sein, dass er die Energie während der Pulslast bei einem vertretbarem Spannungsabfall (etwa 100 mV) bereitstellen kann.

Was tun bei Akkus?

Bei komplexeren Low-Power-Funksystemen, die neben Mikrocontroller und Funktransceiver weitere Komponenten wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren, GPS-Empfänger oder Displays enthalten, steigt der Spitzenstromverbrauch und der Stromverbrauch im Schlafmodus. Der Trend bei diesen Anwendungen bewegt sich weg von Primärbatterien (z.B. Knopfzellen) hin zu wiederaufladbaren Li-Ionen- oder Li-Polymer-Batterien, die auch höhere Pulsströme liefern können.

Die Ladeschlussspannung dieser Akkus liegt üblicherweise um die 4,1 V bis 4,2 V, die damit aber höher liegt als die maximale Versorgungsspannung der meisten Low-Power-HF-ICs. Zudem ist oftmals gefordert, dass das System während des Ladevorgangs von einer externen Quelle (z.B. USB mit 5 V) versorgt wird. In diesem Fall bietet sich ein Stromversorgungskonzept an, das auf einem LDO mit niedrigem Ruhestrom IQ und einem HF-kompatiblen Schaltwandler basiert (Bild 6).

Der LDO »TPS71404« mit 3,2 µA Ruhestrom ist immer aktiv und versorgt das System im Schlafmodus mit 2,0 V. Der HF-kompatible Schaltwandler »TPS62234« hätte im Vergleich dazu einen höheren Ruhestrom von 22 µA.

Der CC2540 kontrolliert den Schaltwandler und schaltet diesen ein, sobald das System aufwacht und damit mehr Strom benötigt. Der Schaltwandler regelt auf 2,1 V und übernimmt den nun höheren Laststrom für das System.

Bild 7 zeigt den Wirkungsgrad des LDOs und Schaltwandlers in Abhängigkeit vom Laststrom. Unter einem Laststrom von etwa 100 µA ist der LDO effizienter, bei höherem Laststrom der Schaltwandler.

Über den Autor:

Markus Matzberger ist bei Texas Instruments als System Engineer im Bereich Low-Power-DC/DC-Schaltwandler tätig.