Power-Management-ICs
Längere Batterielebensdauer sorgt für langlebigere Mobilgeräte
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Vorwandler reduziert Verluste
Da eine höhere Spannung in Smartphone-Designs eine Herausforderung im Hinblick auf eine längere Batterielebensdauer ist, kann eine andere Strategie bei der Leistungsbereitstellung dies bewerkstelligen. Ein Abwärtswandler kann zwar einen schlechteren Wirkungsgrad aufweisen, wenn das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung zunimmt – eine Vorregelung garantiert jedoch weniger Verluste im Abwärtsregler und bietet Kompatibilität zur höheren Spannung einer 2S-Lösung.
Entscheidend ist eine Leistungswandler-Architektur mit festem Verhältnis, wobei die 7,2 V Nennspannung des 2S-Batteriepacks auf 3,6 V halbiert wird, was sich im effizienten Wandlungsbereich heutiger Abwärtsregler befindet. Neben einer Wandlung mit hohem Wirkungsgrad kann ein Leistungswandler für 1S-Konfigurationen einfach in einem Design wiederverwendet werden, das ein 2S-Batteriepack unterstützt. Damit verkürzt sich die Markteinführungszeit.
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Der Leistungswandler im »DA9312« von Dialog Semiconductor besitzt eine flache Wirkungsgradkurve von sehr niedrigen Strömen bis zum Maximalstrom von 10 A (Bild 3). Mit derzeitigen Abwärtswandlern sorgt die zusätzliche Spannungswandlung nur für geringe zusätzliche Verluste, die durch die Vorteile über der Lebensdauer kompensiert werden, da sich eine große Zahl von Low-Voltage-Abwärtswandlern mit einem 2S-Batteriepack betreiben lässt.
Die von einem 2S-Batteriepack bereitgestellte Spannung eignet sich für den direkten Anschluss eines Abwärtswandlers, der Peripherie wie USB und andere Schnittstellen bedient, die höhere Spannungen erfordern als dies für die Core-Logik erforderlich ist. Der DA9312 nutzt diesen Aspekt der 2S-Konfiguration, da er zwei Abwärtswandler enthält, genauso wie deren zugehörige Leistungs-MOSFETs.
Um Spitzenströme bei diesen Schnittstellen mit höherer Spannung zu unterstützen, können die beiden Abwärtswandler als Paar im Zweiphasen-Betrieb eingesetzt werden. Diese Topologie erlaubt Spitzenströme bis zu 10 A, die der Baustein zusätzlich zu den 10 A des Leistungswandlers am externen Core-Logik-Abwärtswandler oder System-PMIC (Power Management IC) bereitstellen kann.
Damit ergibt sich eine kleinere Gesamtlösung für das Power-Management, da sich die Funktionen mehrerer Spannungswandler in einem Chip vereinen lassen. In heutigen Designs umfasst ein Großteil der Leiterplatte das Power-Management. Dieser Anteil kann 40 Prozent der Fläche auf der Platine in Anspruch nehmen – vor allem durch die verbesserte Integration von SoC-Bausteinen. Die Leiterplatte selbst wurde durch die hohe Integration des SoC kleiner, um mehr Platz für die Batterie zu schaffen. Folgt man den SoC-Trends, werden auch die Power-Management-Schaltkreise kleiner und bieten mehr Platz für eine höhere Batteriekapazität.
Keine externen Induktivitäten nötig
Ein weiterer Vorteil der Spannungswandler-Topologie des DA9312 ist, dass sie ohne externe Induktivitäten betrieben werden kann und nur Kondensatoren benötigt. Dies spart nicht nur Platz auf der Leiterplatte ein, sondern ermöglicht auch flachere Geräte. Durch ihre Wicklungen sind Induktivitäten bei diesen Formfaktoren nur schwer zu integrieren. Kondensatoren sind in Sachen Größe und Form flexibler. Bei hohen Schaltfrequenzen, wie den 1,5 MHz der beiden Abwärtswandler, lassen sich die externen passiven Bauelemente verkleinern und der PCB-Platzbedarf damit weiter verringern. Ein CSP (Chip-Scale Package), das ein kompaktes Routing unterstützt, trägt ebenfalls dazu bei, den PCB-Platzbedarf zu minimieren.
Beim Übergang auf ein 2S-Batteriepack und einer hochintegrierten Spannungswandlung, wie sie der DA9312 ermöglicht, lässt sich im Vergleich zu diskreten Lösungen nicht nur die PCB-Fläche halbieren, sondern auch die Bauteilanzahl und PCB-Höhe. Dieser Ansatz zeigt die Vorteile auf, wenn der Wirkungsgrad über der Lebensdauer und die Co-Optimierung der Power-Management-ICs bei der Batteriearchitektur mit berücksichtigt werden.
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