Elektroniknet Logo

Texas Instruments

Buck/Boost-Wandler für Batterie-Langläufer

Texas Instruments
Die neuen Buck-Boost-Wandler des Typs TPS61094 zeichnen sich durch den branchenweit niedrigsten Ruhestrom aus.
© Texas Instruments

Mit dem neuen bidirektionalen Buck/Boost-Wandler (TPS61094) von Texas Instruments kann die Batterielaufzeit um bis zu 20 Prozent verlängert werden.

Da die Nutzung von Batterien laut Cecelia Smith, Vice President und General Manager für Boost and Multi-Channel DC/DCs von Texas Instruments, ständig zunimmt, egal ob in Smart Watches, Türklingeln, Autos oder Sensoren, und sich diese Anwendungen die meiste Zeit im Standby-Modus befinden, ist ein extrem niedriger Ruhestrom sehr wichtig, um die Batterielaufzeit zu erhöhen. Und genau auf diese Anforderung zielt Texas Instruments mit seinem TPS61094 ab. Der bidirektionale Buck/Boost-Wandler zeichnet sich durch eine sehr geringe Ruhestromaufnahme (IQ) von lediglich 60 nA aus, laut TI nur ein Drittel des IQ-Werts konkurrierender Boost-Wandler. Der Buck/Boost-Wandler TPS61094 verfügt über einen integrierten Buck-Modus zum Laden von Superkondensatoren unter Beibehaltung seiner sehr niedrigen Ruhestromaufnahme, sodass die Batterielebensdauer gegenüber üblichen HLCs (Hybridschichtkondensatoren) um bis zu 20 Prozent verlängert wird. Das Laden und Entladen von Superkondensatoren hilft beim Abfangen von Lastspitzen und bei der Backup-Stromversorgung – beides wichtig für den ununterbrochenen Betrieb batterieversorgter Anwendungen.

Beim Design batteriebetriebener Systeme sehen sich Entwickler häufig vor die Herausforderung gestellt, dass auch im Betrieb mit geringer oder gar keiner Last ein hoher Wirkungsgrad mit einer Stromaufnahme im unteren Milliampere- oder gar im Mikroampere-Bereich gefordert wird. Die Stromversorgungen müssen die Regelung ihres Ausgangs hier auch bei einer extrem niedrigen Stromaufnahme im Nanoampere-Bereich aufrechterhalten. Der TPS61094 vereint dabei zwei wichtige Vorzüge, die sich laut Smith bisher gegenseitig ausschlossen, nämlich das einfache Design eines integrierten Buck/Boost-Wandlers und die längere Batterielebensdauer, die durch einen hohen Ausgangsstrom und einen geringen IQ-Wert ermöglicht wird.

Superkondensatoren statt HLCs

Heutige Designs mit Li/SOCl₂-Batterien (Lithium-Thionylchlorid-Batterien) fangen Lastspitzen häufig mithilfe von HLCs ab, die jedoch teuer sind und keine optimalen Voraussetzungen für das Regeln des Ladestroms bieten. Die vom TPS61094 gebotene Kombination aus einem nur 60 nA betragenden IQ-Wert und einer Lade- und Entladefunktion für Superkondensatoren bietet Entwicklern die Möglichkeit, HLCs durch Superkondensatoren zu ersetzen, um Lastspitzen abzufangen und die Batterielebensdauer von Applikationen, die zehn Jahre oder mehr mit einer Batterie auskommen müssen, um bis zu 20 Prozent zu verlängern.

Ebenso kann der TPS61094 die Backup-Stromversorgung in Anwendungen übernehmen, die bei einem Stromausfall geordnet heruntergefahren werden oder eine letzte Kommunikation ausführen müssen.

Doppelter Ausgangsstrom bei branchenweit niedrigstem IQ-Wert

Abgesehen davon, dass er die Batterielebensdauer verlängert, besitzt der Buck/Boost-Wandler mit der kleinsten Ruhestromaufnahme der Industrie im Boost-Betrieb einen auf 2 A begrenzten Spulenstrom. Somit kommt der TPS61094 auf den doppelten Ausgangsstrom konkurrierender Boost-Wandler. Der höhere Ausgangsstrom erlaubt die Verwendung des TPS61094 für Funkstandards wie etwa NB-IoT, LTE-M, Wi-SUN, MIOTY, Bluetooth und Wireless M-Bus, und dies über einen größeren Eingangsspannungsbereich. Zum Beispiel kann der TPS61094 bei Eingangsspannungen bis 0,7 V herab einen Ausgangsstrom von mehr als 250 mA liefern.

Typische industrielle Anwendungen wie etwa Smart Meter benötigen mehrere Bauelemente für die Backup-Stromversorgung und das Abfangen von Lastspitzen. Die Integration einer Buck-Ladefunktion und eines Boost-Wandlers in einen einzigen IC ermöglicht den Verzicht auf eine diskrete Buck-Ladeschaltung, eine Induktivität und zwei externe Kondensatoren, wodurch sich der Bauteileaufwand um 50 Prozent verringern kann und außerdem Leiterplattenfläche eingespart wird.

Die im TPS61094 vollzogene Integration von Buck-Ladeschaltung und Boost-Wandler gibt Designern nicht zuletzt die Möglichkeit, die Abstimmung zwischen sämtlichen Funktionen problemlos zu kontrollieren, um für reibungslosere Übergänge zwischen den verschiedenen Betriebsarten zu sorgen.

Eigenschaften des TPS61094 im Überblick:

  • Großer Spannungs- und Strombereich –0,7 bis 5,5 V Eingangsspannungsbereich, 1,8 V Mindesteingangsspannung für den Start, programmierbare Boost-Ausgangsspannungen mit einem Einstellbereich von 2,7 bis 5,4 V, programmierbare Buck-Ladeausgangsströme mit einem Einstellbereich 2,5 bis 600 mA
  • Sehr niedriger Ruhestrom – 60 nA im Boost- oder Buck-Lademodus, 4 nA im Forced-Bypass-Modus (insgesamt unterstützt der TPS61094 vier Betriebsmodi)
  • Hoher Wirkungsgrad und Leistungsvermögen – bei 1 MHz Schaltfrequenz bis zu 92,3 Prozent Wirkungsgrad bei VIN = 3 V, VOUT = 3,6 V und IOUT = 10 μA; bis zu 96,3 Prozent Wirkungsgrad bei VIN = 3 V, VOUT = 3,6 V und IOUT = 100 mA
  • Schutz gegen Kurzschluss am Ausgang, thermischer Abschaltschutz
  • WSON-Gehäuse mit 12 Anschlüssen, 2 mm × 3 mm

Buck-Wandler für Always-on-Automotive- und Industrieanwendungen

Texas Instruments hat außerdem den LMR43620 und den LMR43620-Q1 vorgestellt. Dabei handelt es sich um Abwärtswandler, die sich laut Troy Coleman, Vice President und General Manager für Power Switches, Interface and Lighting bei Texas Instruments, dadurch auszeichnen, dass sie die ersten Buck-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich sind, die bei einer maximalen Sperrschichttemperatur von 150 °C nur einen Ruhestrom von weniger als 3 µA ziehen. Darüber hinaus sind die Wandler in 2 mm × 2 mm kleinen HotRod-Gehäusen untergebracht. Damit sind sie laut Coleman die derzeit kleinsten Abwärtswandler am Markt.

Die Bausteine sind AEC-Q100-qualifiziert und für einen Temperaturbereich von –40 bis +125 °C ausgelegt. Coleman weist außerdem darauf hin, dass TI die Bausteine mithilfe von Spread Spectrum (Spreizspektrum), dem HotRod-Gehäuse und einer Möglichkeit zur Frequenzsynchronisierung außerdem auf extrem niedrige elektromagnetische Störungen optimiert hat. Coleman: »Die Bausteine sind für skalierbare Stromversorgungen geeignet. Der Wandler erreicht bei 1 mA einen Wirkungsgrad von über 85 Prozent.« Im Datenblatt sind folgende Angaben zu finden: Der Wirkungsgrad bei 1 mA, einer Eingangsspannung von 13,5 V und einer festen Ausgangsspannung von 3,3 V liegt bei 89 Prozent.

Coleman abschließend: »Dank des branchenweit niedrigsten Ruhestroms von nur 35 µA können Entwickler leichter die engen Energiebudgets in Fahrzeugen erfüllen. Es handelt sich außerdem um die ersten Bausteine mit einer aktiven 200-kHz-Gleichrichtung für ein schnelles Ein- und Ausschalten, was ein Höchstmaß an Schutz bietet. Und die Bausteine ermöglichen kleinere Systeme in 12- und 24-V-ECUs.« Die Bausteine befinden sich derzeit in der Vorproduktion.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Texas Instruments Deutschland GmbH