Power-Management Integrierte Lösung

Entwickler von Massenprodukten für die Consumer-Märkte wissen die Vorteile einer Power-Management-Unit zu schätzen. Doch können solche Chips auch für industrielle Anwendungen, wo die Stückzahlen nicht so hoch sind, eine attraktive Alternative zu einer diskreten Lösung sein?

Power-Management-Units (PMUs), oft auch Power-Management-ICs (PMICs) genannt, vereinen mehrere Spannungswandler und Controller auf einem Chip und sind dadurch wesentlich kleiner, kostengünstiger und einfacher auf der Leiterplatte unterzubringen als eine entsprechende Lösung auf der Basis mehrerer diskreter ICs. Trotz dieser Vorteile wurden PMICs bisher fast nur in Consumer-Anwendungen eingesetzt. Hier sind die Produktions-stückzahlen so groß, dass es sich für Halbleiterhersteller lohnt, für jede Anwendung eine kundenspezifische Lösung zu entwickeln, die exakt die vom Kunden gewünschte Anzahl von LDOs, Schaltreglern und Controllern bietet.

Entwickler in anderen Märkten sind daher oft der Meinung, PMICs seien nichts für sie, weil die hohen Kosten der ASIC-Entwicklung die Vorteile einer integrierten Lösung zunichtemachen würden. Seit einiger Zeit produzieren verschiedene Chip-hersteller auch sogenannte Micro-
PMUs, abgespeckte Standard-ICs, die sich für nicht allzu komplexe Stromversorgungsdesigns eignen. Für Systementwickler stellt sich jedoch das Problem, dass diese nicht kundenspezifischen Standard-PMUs in den meisten Fällen nicht exakt ihren Spezifikationen entsprechen. Sind sie also wirklich eine bessere Wahl als ein maßgeschneiderter Mix aus diskreten Power-ICs?

Platzbedarf und Kosten

Tatsächlich kann auch eine Micro-PMU integrationsbedingte Vorteile bieten, die in vielen Anwendungen die Nachteile überwiegen. Jedes diskrete IC bringt diverse Anforderungen mit sich - es muss beispielsweise gegen elektrostatische Entladungen geschützt werden, braucht eine Bandgap-Referenz, benötigt Lötpads für Stromversorgung und Schnittstelle und so weiter. Bei einer Micro-PMU teilen sich sämtliche integrierten Wandler diese Funktionen. Dadurch kommt eine solche Einheit mit einer wesentlich kleineren Gesamtfläche aus, und schon allein aus diesem Grund spart man zwischen zehn und fünfzig Prozent der Siliziumfläche ein.

Eine integrierte Micro-PMU lässt sich zudem schneller testen und bestücken. In der Produktion muss jedes diskrete Bauteil bestimmte Standardtests durchlaufen, zum Beispiel auf korrekte Verbindungen, unter Umständen müssen sie getrimmt werden und so weiter. Bei Verwendung mehrerer diskreter ICs sind alle diese Maßnahmen für jeden einzelnen Baustein durchzuführen, bei einer Micro-PMU hingegen nur ein einziges Mal. Dadurch verkürzt sich die Testzeit um etwa zwanzig bis siebzig Prozent; die Zeitersparnis beim Bestücken liegt in der gleichen Größenordnung.

Auch spart ein PMIC Leiterplattenfläche, weil weniger externe Bauteile benötigt werden. Die Platzersparnis im Vergleich zu einer diskreten Implementierung beträgt zwischen etwa zehn und fünfzig Prozent. Die Zeitersparnis beim Systemdesign und beim Leiterplattenlayout ist weniger leicht abzuschätzen. Logischerweise vereinfacht eine integrierte Micro-PMU das Design im Vergleich zu einer diskreten Lösung, was signifikant Zeit spart.

Wertvolle Systemfunktionen

Die Kosten eines Stromversorgungssystems für eine gegebene Anwendung lassen sich in der Frühphase der Entwicklung relativ einfach abschätzen. Der Entwickler kann die Kosten einer diskreten Lösung mit denen eines Micro-PMU-Designs vergleichen und herausfinden, welches die kostengünstigere Lösung ist. Dabei sollte er jedoch nicht nur die Materialkosten, sondern auch indirekte Kosten einbeziehen, beispielsweise für Test und Bestückung.

Eine solche Kostenrechnung zeigt jedoch nicht alle Vorteile auf, die sich für das Endprodukt-Design aus dem Einsatz einer Micro-PMU ergeben. Nehmen wir einmal an, beim Kostenvergleich schneiden die diskrete Lösung und die PMU etwa gleich gut ab. Bei der PMU erhält der Entwickler deren interne Power-Management-Funktionen gewissermaßen als Dreingabe geschenkt. Diese Systemfunktionen sind oft nützlich und manchmal sogar unverzichtbar. Eine Micro-PMU könnte beispielsweise Hilfsfunktionen wie die Folgenden bereitstellen:

  • kontrolliertes Hochfahren, 
  • Reset, 
  • Stand-by-Steuerung, 
  • Konfiguration der Ausgangsspannungen von DC/DC-Wandlern und LDOs, 
  • Parallelschalten von DC/DC-Wandlerausgängen und 
  • Konfiguration der Schaltfrequenzen von DC/DC-Wandlern. 

Dadurch lassen sich beispielsweise Ein- und Ausschaltsequenzen implementieren. Das Host-Gerät könnte zum Beispiel mit einem einzigen aktiven DC/DC-Wandler oder LDO hochfahren und die benötigte Ausgangsspannung liefern. Die weiteren Wandler könnten dann in vorprogrammierten Zeitabständen hochgefahren werden. Bei Bedarf lassen sich diese Zeitabstände per Software ändern.

Eine weitere wichtige und häufig genutzte Funktion batteriebetriebener Geräte ist der Reset. Auch hier ist die Micro-PMU flexibel; sie bietet beispielsweise die Möglichkeit, die High- oder Low-Schwellenspannung für einen Reset bei Bedarf zu ändern oder vorzugeben, wie lange eine Taste gedrückt sein muss, damit ein Reset ausgelöst wird.

Ein weiteres Beispiel für die Vorteile, die sich aus der Konfigurierbarkeit solcher Parameter ergeben, ist die »intelligente« Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebsarten. Beispielsweise benötigen einige mobile Geräte im Normalbetrieb eine Betriebsspannung von 3,3 V, im Stand-by-Modus aber nur 1,8 V. Bei einer PMU lässt sich diese Umschaltung durch entsprechendes Ändern der Schaltfrequenz oder Ausgangsspannung schnell und einfach programmieren.

Beispielimplementierung

Betrachten wir als Beispiel die für batteriebetriebene Geräte vorgesehene Micro-PMU »AS3709« von ams. Dieses IC enthält fünf DC/DC-Abwärtsregler und zwei LDOs. Eine entsprechende diskrete Implementierung würde nicht weniger als sieben ICs erfordern. Wie aus Bild 1 ersichtlich ist, kommt der AS3709 mit sehr wenigen externen Bauteilen aus.

Die meisten mobilen Geräte arbeiten mit Batterien oder Akkus, deren Klemmenspannung in weiten Grenzen variieren kann. Die Klemmenspannung des am häufigsten verwendeten Akkutyps, dem Lithium-Ionen-Akku, kann beispielsweise je nach Ladezustand zwischen 2,7 V und 4,2 V schwanken. Andererseits benötigen die Schaltungen in einem mobilen Gerät stabile Betriebsspannungen von beispielsweise 1,2 V, 1,8 V oder 2,5 V. Um die Leistungsaufnahme elektronischer Systeme zu senken, versucht man, mit immer kleineren Betriebsspannungen zu arbeiten. Solche Anwendungen verlangen nach LDOs und DC/DC-Wandlern, die aus der veränderlichen Batterie- oder Akkuspannung eine konstante Betriebsspannung machen.

Der AS3709 akzeptiert Eingangsspannungen zwischen 2,7 V und 5,5 V und ermöglicht es, die Ausgangsspannungen der DC/DC-Wandler im Bereich von 0,6 V bis 3,3 V zu programmieren. Der Eingangsspannungsbereich der beiden LDOs geht von 1,8 V bis 5,5 V; 
die Ausgangsspannung ist ebenfalls im Bereich von 0,8 V bis 3,3 V programmierbar. Die Schaltfrequenzen der DC/DC-Wandler können individuell gewählt werden (2 MHz, 3 MHz oder 4 MHz).

Außerdem bietet der AS3709 die Möglichkeit, die Ausgänge mehrerer DC/DC-Wandler parallel zu schalten. Jeder Ausgang kann, je nach Konfiguration, einen Strom von bis zu 1 A liefern. Durch Parallelschalten von zwei oder drei DC/DC-Wandlern lässt sich der maximale Ausgangsstrom verdoppeln oder verdreifachen. Hierfür werden ein oder mehrere Wandler als Slaves konfiguriert.

Im Beispiel von Bild 2 sind sämtliche Slave-Bits gesetzt. In diesem Fall sind zwei Wandler verfügbar: SD1 und SD2 liefern zusammen maximal 2 A Ausgangsstrom, die Wandler SD3, SD4 und SD5 zusammen maximal 3 A.

Natürlich muss man, wenn man mehrere DC/DC-Wandler parallel schaltet, das Leiterplattenlayout für entsprechend höhere Ausgangsströme auslegen. Bild 3 zeigt einen Layout-Vorschlag für die Schaltung nach Bild 2. Interessan-terweise liegt der Wirkungsgrad in diesem Fall sogar höher als bei einer entsprechenden diskreten Lösung - und zwar deshalb, weil der On-Widerstand mehrerer parallel geschalteter, kleiner Wandler niedriger ist als der eines einzigen, größeren Wandlers; dadurch sind auch die Leistungsverluste geringer.

Über den Autor:

Emir Serdarevic ist Staff Design Engineer bei ams.