Stromversorgung von mobilen Geräten Powermanagement-ICs für akku- und batteriebetriebene Geräte

Moderne Powermanagement-ICs für mobile Geräte müssen die knappe Energie aus Batterien und Akkus mit wenig Verlusten im Gerät verteilen sowie Schaltungsteile sinnvoll zu- und abschalten. Sie müssen aber auch über einen weiten Eingangsspannungsbereich mit hohem Wirkungsgrad arbeiten können, um dem chemischen Speicher so viel Energie wie möglich zu entnehmen.

Eine der wichtigsten Überlegungen bei der Entwicklung mobiler Geräte betrifft die Frage, wie man am besten die Wärme aus dem Gerät ableitet. In vielen portablen Geräten können Luftströmungen nur in sehr begrenztem Ausmaß zu Kühlzwecken genutzt werden, und der Platz ist meist äußerst knapp. Demzufolge ist es die dicht bestückte Leiterplatte, die den Abtransport der Wärme übernehmen muss. Damit steigt zwangsläufig die Umgebungstemperatur für die Bauteile im Innern des Gerätes, was sich nachteilig auf die Langzeitzuverlässigkeit auswirken kann.

Die in einem solchen projektierten Gerät eingesetzten Leistungswandler- und Powermanagement- ICs müssen deshalb einen hohen Wirkungsgrad haben, um die Geräte nicht durch ihre Abwärme noch zusätzlich aufzuheizen. Die Entscheidung über die Bauart eines Gleichspannungswandlers muss vom Geräteentwickler sorgfältig anhand der Wärme getroffen werden, die bei der Leistungswandlung entsteht. Viele Hersteller batteriebetriebener, portabler Geräte setzen deshalb, wegen ihres höheren Wirkungsgrades, Schaltregler statt lineare Spannungsregler (LDO, Low-Dropout) ein. In Bild 1 ist die Leistungswandlerund Powermanagement-Architektur eines typischen akku- oder batteriebetriebenen Gerätes dargestellt. Eine Akku-Ladefunktion ist nicht in allen Geräten enthalten. Viele Hersteller integrieren die Ladeelektronik in einer separaten Ladeschale, die z.B. auch für den Anschluss an einen PC dient. Andere Hersteller setzen Batterien ein – meist AA- oder AAA-Zellen unterschiedlicherchemischer Zusammensetzung. Es ist bei den verschiedenen Mobilgeräten üblich, dass mehrere Versorgungsspannungen benötigt werden oder – abgesehen von einer Batterie – auch andere Spannungsquellen vorgesehen sind. Gängige Versorgungsspannungen sind:

  • eine Haupt-Versorgungsspannung (Zwischenkreis) mit 3 V oder 3,3 V,
  • eine Betriebsspannung von 1,2 V für den Mikroprozessorkern bzw. DSP,
  • 1,8 V für die E/A-Schaltungen,
  • 2,8 V für die HF-Schaltungen,
  • 5 V für USB-Anschluss (mit OTG, on-the-go), Audio Leistungsverstärkerschaltungen sowie LED-Treiberstufe für die Display-Hinterleuchtung.

Doch mit der Erzeugung der einzelnen Spannungen ist es nicht getan. Die verschiedenen Versorgungsspannungen müssen geschickt gesteuert werden, um die Funktion des Gerätes bei allen Betriebsbedingungen zu optimieren. Verfügt das Gerät über einen Akku, dann kommt auch noch das gleichzeitige Laden des Akkus beim Betrieb an einer externen Stromversorgung hinzu. Ein Konzept ist die automatische Lastvorrangschaltung, die autonom und unterbrechungsfrei den Energiefluss zwischen den verschiedenen Eingangsquellen – z.B. USB-Port, Steckernetzteil und Akku – koordiniert und vorrangig die elektrische Energie dem Gerätebetrieb widmet.

In einem konventionellen akkubetriebenen Gerät müsste der Anwender warten, bis der Akku ausreichend geladen und die nötige Spannung erreicht ist, bevor das Gerät eingeschaltet werden kann. Mit einer Lastvorrangschaltung dagegen lässt sich ein Gerät schon unmittelbar nach dem Einstecken nutzen – unabhängig vom Ladezustand des Akkus. Lastvorrangschaltungen können sowohl linear als auch geschaltet implementiert werden. Die lineare Schaltung lässt sich einfach und zu niedrigen Kosten realisieren. Die getaktete Version erreicht dagegen, sowohl bei der Versorgung des Gerätes selbst als auch beim Laden des Akkus, einen höheren Wirkungsgrad – über 90 % gegenüber den 60 % der linearen Schalter. Insbesondere, wenn die Akku- Spannung niedrig und/oder die Eingangsleistung limitiert ist, wie z.B. bei der Speisung über den USB-Anschluss, empfiehlt sich eine getaktete Ausführung. Sie bietet zusätzlich den Vorteil, dass sie das Leistungslimit des USB-Anschlusses besser ausnutzen kann. Ein entladener Akku mit entsprechend niedriger Klemmenspannung lässt sich dann z.B. mit einem Ladestrom von bis zu 700 mA – 2,3 W – laden, ohne den USB-Anschluss zu überlasten.

Eigenheiten von Geräten mit AA- oder AAA-Batterien

Eine der größten Herausforderungen bei der Schaltungsentwicklung eines batteriebetriebenen Gerätes ist die Nutzung unterschiedlicher Versorgungsspannungen – zwei AA- oder AAA-Zellen und 5 V von einem Netzteil oder einem USB-Anschluss –, um 3 V oder 3,3 V als Haupt-Betriebsspannung und 1,2 V für den Mikroprozessorkern oder DSP zu erzeugen. Erfolgt die Versorgung durch ein 5-VSteckernetzteil oder aus den 5 V eines USB-Anschlusses, werden lediglich Abwärtswandler benötigt. Für den Batteriebetrieb wird meist ein Auf-/Abwärtswandlerbenötigt, um die 3 V bzw. 3,3 V für die Haupt-Betriebsspannung bereitzustellen, wogegen für die 1,2 V ein Abwärtsregler erforderlich ist.

Der Grund hierfür ist, dass das Entladeprofil zweier in Reihe geschalteter AA-Zellen (Nickel oder Alkali) von 3,2 V bis 1,8 V reicht. Mit den neuen AA- und AAA-Zellen auf Lithiumbasis hat sich dieses Profil allerdings um etwa 0,4 V nach oben verschoben.Dem zufolge ist ein Auf-/Abwärtswandler nötig, der die 3 V oder 3,3 V über den gesamten Entladevorgang der Batterien hinweg mit hohem Wirkungsgrad bereitstellen kann. Zur Speisung der Speicher-ICs mit nominell 1,8 V wird meist ein zweiter Abwärtswandler- Kanal eingesetzt.

Umweltfreundliche Energie ist gefragt

Die zunehmende Popularität des Umweltschutzgedankens hat im vergangenen Jahr dazu geführt, dass zahlreiche Anbieter von Powermanagement- und Leistungswandler-ICs große Anstrengungen unternommen haben, um den Wirkungsgrad ihrer Produkte über einen weiten Leistungsbereich hinweg zu verbessern. Außerdem herrscht Einigkeit darüber, dass man Energie sparen muss – gleichgültig ob ein Gerät aus dem Stromnetz oder per Batterie versorgt wird. Diese Erkenntnis beruht auf der Tatsache, dass sich mit dem Bevölkerungswachstum eines Landes auch die Nachfrage nach Energie erhöht, da jeder neu hinzukommende Wohnraum geheizt, klimatisiert, beleuchtet und mit elektrischen Geräten ausgestattet werden muss.

Enorme Finanzmittel sind deshalb nicht nur in die Bereitstellung der nötigen Kraftwerkskapazität zu investieren, sondern auch die Lieferung der elektrischen Energie an die Kunden kostet viel Geld. Es ist aber kosteneffektiver, die gegenwärtige Energieaufnahme der meisten Elektrogeräte um 15 % bis 20 % zu senken, als neue Kraftwerke zu bauen. Ähnliches gilt für tragbare Geräte, die mit Batterien betrieben werden. Bei der Verwendung mehrerer AA- oder AAA-Zellen rückt allerdings der Entsorgungsaspekt in den Vordergrund, da Batterien wegen ihres Gehalts an gefährlichen Chemikalien schädlich für die Umwelt sind. Jede Maßnahme, die die Betriebsdauer der Batterien verlängert, trägt deshalb dazu bei, dass die Batterien seltener ausgetauscht und weniger Schadstoffe dem Recycling zugeführt werden müssen. Infolge der hohen Kosten, die durch den Bau von neuen Kraftwerken oder von Einrichtungen zur Wiederaufarbeitung gefährlicher Chemikalien entstehen, haben viele Länder Umweltschutzprogramme eingeführt, mit denen sie für die Hersteller Anreize schaffen, ihre Endprodukte mit energiesparenden Techniken auszustatten. Moderne DC/DC-Wandler müssen zwei wichtige Voraussetzungen erfüllen, damit ein Powermanagement in einem Gerät Energie sparen kann:

  • Erstens müssen die DC/DC-Wandler über einen weiten Laststrombereich hinweg einen hohen Wirkungsgrad erreichen.
  • Zweitens dürfen sie sowohl im Scheinaus- als auch im Bereitschafts- Modus nur einen niedrigen Ruhestrom aufnehmen.

Neue energiesparende Leistungswandler-ICs

Der LTC3101 von Linear Technology [1] ist ein Powermanagement-IC für Anwendungen, die mit Batterien betrieben werden oder Stützbatterien enthalten. Das IC enthält einen verlustarmen Controller für den Lastvorrang, drei Schaltregler mit Synchrongleichrichter (ein Auf-/Abwärts- und zwei Abwärtswandler), einen der Eingangsspannung nachgeführten und auf 200 mA begrenzten Umax-Ausgang, einen geschützten 100-mA-Ausgang (hot swap) zur Versorgung von Speicherkarten, einen programmierbaren Prozessor- Reset-Generator und einen ständig aktiven LDO-Linearregler. Alle diese Elemente sind in einem flachen QFN-24-Gehäuse von 4 mm x 4 mm integriert. Der Betriebsspannungsbereich des LTC3101 – 1,8 V bis 5,5 V – erlaubt den Betrieb mit zwei oder drei Zellen auf Nickel-, Lithium- oder Alkalibasis, mit gängigen Lithium-Ionen/ Polymer-Akkus sowie die 5-V-Versorgung per USB oder Steckernetzteil (Bild 2).

Die verlustarme Lastvorrangsschaltung koordiniert automatisch und unterbrechungsfrei den Energiefluss zwischen diesen verschiedenen Quellen. Die stets aktiven Umax- und LDO-Ausgänge können wichtige Funktionen oder zusätzliche externe Regler versorgen. Die Einschaltphase des Gerätes lässt sich durch eine interne Steuerung und über Anschlusspins an die jeweilige Applikation anpassen. Der Auf-/Abwärtswandler des LTC3101 kann dauerhaft einen Strom bis zu 800 mA bei Eingangsspannungen über 3 V liefern. Er kann eine 3-V- oder 3,3-V-Ausgangsspannung über den gesamten Eingangsspannungsbereich von 1,8 V bis 5,5 V hinweg regeln.

Die beiden in den LTC3101 integrierten Abwärtswandler wiederum können bis zu einem Tastverhältnis von 100 % arbeiten und jeder für sich bis zu 350 mA Ausgangsstrom liefern, wobei sich die Ausgangsspannungen bis 0,6 V herab einstellen lassen. Mit seinen internen Schalttransistoren, die einen niedrigen RDS(ein) aufweisen, erreicht der Auf-/ Abwärtswandler im LTC3101 einen Wirkungsgrad bis zu 95 %. Die Abwärtswandler erreichen einen Wirkungsgrad von max. 93 % (Bild 3). Bei niedriger Ausgangsleistung sorgt der Burst-Modus für eine geringere Gesamt-Ruhestromaufnahme des ICs: 38 μA, wenn alle Wandler aktiv sind. Im Bereitschaftsbetrieb – nur der LDO- und der Umax-Ausgang sind in Betrieb – geht die Stromaufnahme des ICs auf 15 μA zurück. Die hohe Schaltfrequenz von 1,27 MHz erlaubt die Verwendung kleiner, preisgünstiger Kondensatoren und Spulen mit wenigerals 1 mm Bauhöhe. Überdies lassen sich alle Wandler mit Keramik- Ausgangskondensatoren stabilisieren, was die Welligkeit der Ausgangsspannung sehr niedrig hält.

Für den Betrieb an drei oder vier AA-Zellen eignet sich der LTC3534 [2] – ein Auf-/Abwärtswandler mit einem erweiterten Eingangsspannungsbereich von 2,4 V bis 7 V, der an einem geregelten Ausgang mit fest eingestellter Spannung bis zu 500 mA liefern kann. Wie bei allen mit einer Induktivität auskommenden Auf-/Abwärtswandlern von Linear Technology, kann die Eingangsspannung auch hier größer, kleiner oder gleich der Ausgangsspannung sein. Die Schaltung des LTC3534 sorgt für einen unterbrechungsfreien Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten.

Als Beispiel zeigt Bild 4 eine Applikation mit vier Alkalibatterien im AA- oder AAA-Format. Die Schaltung erzeugt aus der zwischen 3,6 V und 6,4 V variierenden Eingangsspannung eine Ausgangsspannung von 5 V. Im Vergleich zur konventionellen SEPICSchaltung (Single Ended Primary Inductance Converter) kann der LTC3534 in vielen Fällen die Batteriebetriebsdauer um bis zu 25 % verlängern. Die konstante Schaltfrequenz von 1 MHz sorgt dabei für ein geringes Ausgangsrauschen und ermöglicht den Einsatz kleiner Kondensatoren und Induktivitäten. Das nur 3 mm x 5 mm messende DFN- oder SSOP- 6- Gehäuse geht sparsam mit der Leiterplattenfläche um – ideal für mobile Geräte. Der LTC3534 enthält je zwei NKanal- und P-Kanal-MOSFETs mit RDS(ein)-Werten von 215 mΩ/ 275 mΩbzw. 260 mΩ und kommt auf einen Wirkungsgrad bis zu 94 %. Die Ruhestromaufnahme beträgt im Burst- Modus nur 25 μA und wird im Scheinaus- Status auf unter 1 μA abgesenkt, um die Batterie zu schonen. Um Rauschen und potentielle Funkstörungen zu reduzieren, lässt sich über den PWM-Pin ein kontinuierlicher Betrieb erzwingen. Als weitere Fnktionen bietet das IC einen langsamen Anlauf, eine Strombegrenzung, einen Überhitzungsschutz und eine Trennfunktion für den Ausgang.

 

Tony Armstrong
 machte 1981 seinen BS-Hochschulabschluss in angewandter Mathematik mit Auszeichnung an der Universität von Manchester, England. Seit Mai 2000 ist er als Product Marketing Manager im Geschäftsbereich Power bei Linear Technology für Leistungswandlerund Powermanagement-ICs verantwortlich – von der Konzeption bis zur Abkündigung. Zuvor war er in verschiedenen Positionen im Vertrieb bei Siliconix, Semtech, Fairchild Semiconductors und Intel (Europa) tätig.
tarmstrong@linear.com