Energy Harvesting PMICs unter die Lupe genommen (Teil 2)

Für mobile Systeme, besonders bei Energy-Harvesting, ist eine geringe Energieaufnahme sehr wichtig, sodass ein »intelligentes« Energiemanagement nötig ist. In diesem zweiteiligen Artikel werden die Funktionen und Einsatzmöglichkeiten derartiger Power-Management-ICs (PMICs) untersucht.

Im ersten Teil dieser Artikelserie wurde der Aufbau von PMICs (Powermanagement-ICs) und deren wesentliche Merkmale behandelt sowie eine erste Übersicht über die aktuellen Typen gegeben. Nun wollen wir die wichtigsten Bauteilparameter messtechnisch verifizieren.

Als erste Entscheidungsgrundlage für ein PMIC stehen natürlich die einzelnen Datenblätter von den Herstellern zur Verfügung. Diese Dokumente sind jeweils ähnlich aufgebaut und liefern Informationen zu den wichtigsten elektrischen Parametern. Gleichwohl können sich die Funktionsbeschreibungen, die Testbedingungen, die Art und Anzahl der aufgenommenen Kennlinien sowie die applikationsspezifischen Informationen stark voneinander unterscheiden. Dies erschwert die Vergleichbarkeit von essentiellen Parametern wie etwa Ruhestrom und Wirkungsgrad oder macht sie sogar unmöglich. Bestimmte applikationsspezifische Details lassen sich zudem nicht immer aus den angegebenen Tabellen, Grafiken und Beschreibungen entnehmen, sodass nur eigene Messungen näheren Aufschluss bieten können.

Für die untersuchten PMICs war es Voraussetzung, dass hierfür auch die entsprechenden Evaluation-Boards zur Verfügung standen, was für die messtechnische Beurteilung durchaus als zweischneidiges Schwert angesehen werden kann. Denn diese Boards − insbesondere, wenn sie der jeweilige Chiphersteller direkt anbietet − zeigen den PMIC in Bestform, weil die Schaltung hierfür optimiert wurde. Um die gleichen Resultate des Chips in einer eigenen Schaltung zu erreichen, sind mitunter einige Klimmzüge notwendig, etwa weil ganz spezielle selektierte Bauelemente benötigt werden, was die Schaltungskosten unerwartet und beträchtlich erhöhen kann. Dies ist oftmals bei den benötigten Induktivitäten (Spulen und Trafos) der Fall.

Dieser Problematik hat sich Würth Elektronik eiSos bereits vor einigen Jahren mit dem Design Kit Linear Technology angenommen, das in einem Musterkoffer die (speziellen) Induktivitäten für verschiedene Regler von Linear Technology enthält, der im Übrigen kostenlos nachgefüllt wird.

Selbstverständlich sind noch weitere chipspezifische Besonderheiten beim Entwurf einer eigenen Schaltung mit einem PMIC zu berücksichtigen, etwa beim Layout, was in den meisten Fällen aber hinreichend dokumentiert ist und auch vom Evaluation-Board abgekupfert werden könnte. Idealerweise werden sogar die Layout- und Fertigungsdaten zum Download zur Verfügung gestellt. Aus diesen Gründen ist es ratsam, mit einem Evaluation-Board in die Entwicklung zu starten.

Falls es nicht wie beschrieben funktionieren sollte, ist also ganz klar der Hersteller mit seinem Support gefordert, und es sind keine Ausreden etwa betreffs nicht korrektem Layout oder nicht passender Bauelemente möglich.

Die Tabelle 1 (hier zum Download) stellt die untersuchten PMICs in einer Übersicht gegenüber. Die genaue messtechnische Verifizierung wird im Folgenden anhand der Evaluation-Boards für den ADP5090 von Analog Devices (Bild 1), dem STEVAL ISV020V1 für den SPV1050 von STMicroelectronics (Bild 2) sowie dem Evaluation-Board von Linear Technology für den LTC3331 (Bild 3) näher erläutert, die somit auch stellvertretend für ein ganze Reihe von PMICs stehen und die Spannbreite der unterschiedlichen Typen aufzeigen.

Startup-Verhalten messen 

Insbesondere bei den leistungsschwachen Harvestern in Verbindung mit Aufwärtswandlern und Cold-Start-Schaltungen ist das Anlaufen des PMIC ein kritischer Vorgang. Im Ausgangszustand sind alle Kapazitäten entladen und nach dem Anschluss des Harvesters wird zunächst der Eingangskondensator aufgeladen.
 

Beim ADP5090 beispielsweise wird die Ladungspumpe bei einer Spannung von etwa 380 mV aktiviert, die den Ausgangskondensator auflädt. Sobald dieser eine Spannung von 1,92 V erreicht hat, nimmt der Aufwärtswandler seinen Betrieb auf. Da der ADP5090 über kein eigenes Power-Gating (siehe Teil 1 des Artikels) verfügt, hängt die minimale Harvester-Leistung und damit der minimale Strom, der nötig ist, um die Ausgangsspannung auf 1,92 V zu bringen, von der am Ausgang angeschlossenen Last ab. Es ist daher insbesondere bei leistungsschwachen Harvestern sehr wichtig, darauf zu achten, welche Komponenten am Lastausgang angeschlossen sind und welchen Strom der Harvester in diesem Zustand liefern kann.

Der SPV1050 besitzt in der Buck-Boost-Konfiguration hingegen keine Ladungspumpe. Stattdessen werden Eingang und Ausgang zunächst intern kurzgeschlossen, bis der Ausgang auf eine Spannung von 2,6 V aufgeladen ist und der Spannungswandler aktiviert wird. Daher ist hier stets eine Mindesteingangsspannung des Harvesters von 2,6 V erforderlich.

Der LTC3331 wiederum versorgt den Spannungswandler direkt über den Harvester-Eingang und verfügt über keinen speziellen Cold-Start-Mechanismus, sondern kann den Spannungsausgang direkt über den Abwärtswandler aufladen.

Für die Messungen des Startup-Verhaltens wurde ein Sourcemeter 2400 von Keithley als Stromquelle verwendet und am Harvester-Eingang angeschlossen. Die in den Datenblättern dargestellten Startup-Vorgänge konnten damit reproduziert werden, allerdings nicht mit den dort angegebenen Eingangsströmen. Beim SPV1050 waren 37 μA statt der angegebenen 5 μA nötig, beim ADP5090 9,5 mA statt 5 mA. Beim ADP5090 betrug die Mindesteingangsspannung 365 mV, dabei war ein Eingangsstrom von mindestens 45 μA nötig, um den Cold-Start-Vorgang abzuschließen. Zusammen ergibt dies eine Mindestleistung von 16,43 μW, was sich sehr gut mit den im Datenblatt angegebenen 16 μW deckt. Die Eingangsspannung bleibt während des Aufladens durch die Ladungspumpe konstant bei 365 mV. Die Ladungspumpe besitzt dabei jedoch nur einen sehr geringen Wirkungsgrad, dementsprechend können bereits sehr kleine Lasten den nötigen Eingangsstrom deutlich erhöhen. Bereits ein angeschlossenes Oszilloskop mit einem Eingangswiderstand von 1 MΩ zur Aufzeichnung der Ausgangsspannung erhöhte den Mindesteingangsstrom von 45 µA auf 115 μA.

Beim LTC3331 zeigte sich ein Fehlverhalten. Dieses tritt beim Zuschalten des Harvesters bei geringen Strömen auf, und zwar dann, wenn die »Falling-Schwelle« der UVLO-Spannung niedriger ist als die eingestellte Ausgangsspannung. Fällt die Eingangsspannung unter diesen Schwellwert, wird der Spannungswandler deaktiviert. Dieses Verhalten ist im rechten Teil von Bild 4 zu erkennen, wo die Eingangsspannung (rot) im Arbeitsbereich zwischen 4 V und 5 V oszilliert, was bei einem Strom von 100 μA nicht ausreicht, um den Ausgang auf die eingestellten 5 V aufzuladen. Bei den beiden anderen vergleichbar aufgebauten PMICs, dem LTC3588 von Linear Technology und dem MB39C811 von Cypress, wird dies dadurch verhindert, dass die UVLO-Schwellen mit der Ausgangsspannung gekoppelt sind und sich nicht unabhängig voneinander einstellen lassen. Weil der Abwärtswandler die Eingangsspannung herabsetzt und diese daher ohnehin größer sein muss als die Ausgangsspannung, ist eine Abschaltschwelle, die darunter liegt, für den praktischen Einsatz unsinnig.