Highlights von der ISSCC 2023

Powermanagement at its best

22. Mai 2023, 8:00 Uhr | Iris Stroh

Powermanagement-Techniken werden genutzt, um die Systemleistung von Leistungswandleranwendungen zu verbessern. Auf der diesjährigen ISSCC wurden 10 Entwicklungen präsentiert, drei davon sind von den Experten des Programmkomitees als Highlight ausgewählt worden.

Das erste Paper, das als Highlight gilt, kommt vom Ulsan National Institute of Science and Technology aus Korea. Darin geht es um eine skalierbare N-stufige, gleichmäßig geteilte SSHI-Schaltung (Synchronized Switching Harvesting with an Inductor – ein Verfahren, bei dem die Energie des Energy Harvesters zeitsynchron mithilfe einer zusätzlichen Spule umgeladen wird) für piezoelektrische Energy-Harvester, die im Vergleich zu bisherigen Ansätzen die Energiegewinnung um stolze 1170 Prozent verbessert und nur einen Ruhestrom von 22 nA benötigt

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Energy Harvesting

Energy Harvesting mit einem piezoelektrischen Wandler (PT, Piezoelectric Transducer) wandelt mechanische Energie der Umgebung in eine Wechselspannung um und stellt somit einen Ansatz zur Lösung der Energieprobleme von selbstversorgten Systemen dar. Allerdings besteht das Problem, dass bislang typischerweise nur ein geringer Teil der vom PT erzeugten Energie auch wirklich genutzt bzw. gespeichert werden kann.
Die bislang einfachste und am häufigsten genutzte Methode zur Energiegewinnung ist ein Vollbrückengleichrichter (FBR). Die Gleichrichtermethode hat jedoch mehrere Nachteile. Zum Beispiel bewirkt der FBR, dass ein sinusförmiger Strom des PTs (I_P) den inhärenten Kondensator des PTs (C_P) bei jeder Änderung der IP-Richtung auf- bzw. entlädt, was zu einem großen Ladungsverlust führt.

Es wurden bereits mehrere Vorschläge vorgelegt, dieses Problem zu lösen und zwar mithilfe zeitsynchronisierter Schaltungen, bei denen elektronische Elemente kurzfristig hinzugeschaltet werden. Dazu gehören beispielsweise die Techniken SSHI (Synchronized Switch Harvesting on Inductor) und SECE (Synchronous Electric-Charge Extraction). Die Idee hinter dem SSHI-Verfahren besteht darin, dass die Energie des Energy-Harvesters mithilfe einer zusätzlichen Spule zeitsynchronisiert umgeladen wird. Beim SECE-Ansatz wiederum geht es darum, dass der Energy-Harvester zyklisch entladen wird.

Doch auch diese Ansätze sind aus der Sicht der Forscher am Ulsan National Institute of Science and Technology noch verbesserungswürdig. Zwar würde der Ladungsverlust bei einem herkömmlichen SSHI-Ansatz mithilfe der sogenannten Bias-Flip-Technik (BF) reduziert. Bei der BF-Technik wird die Spannung über dem C_P (V_pt) mit der LCP-Resonanz invertiert. Das steigert zwar die Energieextraktion und erhöht die Spannung des maximalen Leistungspunktes im Vergleich zum FBR, aber für einen hohen Flip-Wirkungs- grad (η_Flip) ist eine teure und große Induktivität (L) mit einem hohen Qualitätsfaktor (Q) erforderlich.

Wird im Gegensatz dazu eine Induktivität mit niedrigem Q-Faktor verwendet, erfordert ein Flip mit halber Resonanzfrequenz sowohl einen genauen Nullstromdetektor (ZCD, Zero Current Detector) als auch einen großen Induktivitätsstrom (I_L), was zu großen Steuerungsverlusten bzw. Leitungsverlusten (PC) führt. Ähnlich verhält es sich bei der SECE-Technik, die ebenfalls eine Induktivität mit hohem Q-Wert erforderlich macht.

Eine weitere Möglichkeit stellt die SSHC-Technik (Synchronized Switch Harvesting on Capacitor) dar, bei der noch zusätzliche Kondensatoren zum Einsatz kommen. Doch auch dieser Ansatz hat seine Probleme. Wird zum Beispiel ein handelsüblicher PT und kein kundenspezifisches MEMS eingesetzt, so sind beim SSHC-Ansatz Off-Chip-Kondensatoren mit mehreren zehn nF notwendig. Außerdem ist es aufgrund der festen Teilungsphase nicht möglich, eine adaptive Steuerung entsprechend des Arbeitspunktes des PTs zu realisieren.

Es wurden auch Ansätze vorgeschlagen, die eine Aufteilung des Flip-Prozesses mithilfe einer relativ kleinen Induktivität ermöglichen. Allerdings ist auch in diesem Fall eine genaue ZCD erforderlich und außerdem die Möglichkeit eingeschränkt, die Spule auf weniger als zehn μH zu reduzieren. Hinzu kommt noch, dass in diesem Fall mehrere Steuerungsschaltungen mit hohem Ruhestrom (I_Q) und eine beträchtliche Anzahl von Leistungselementen wie Schalter und Dioden notwendig sind.

Deshalb setzen die Forscher des Ulsan National Institute of Science and Technology auf folgenden Ansatz: Eine skalierbare SSHI-Schaltung mit vier bis 16 gleichmäßig aufgeteilten Stufen. Damit lässt sich eine Flip-Effizienz von 91 Prozent erreichen und die Leistungsextraktion um 1170 Prozent verbessern und das Ganze mit einer Low-Q-Induktivität mit 1 μH, einschließlich einem dedizierten Nullstromdetektor, und das Ganze zieht im Sleep-Modus nur 22 nA – sperrige Spulen gehören damit der Vergangenheit an. Der vorgeschlagene n-stufige ES-SSHI wurde mithilfe eines CMOS-Prozesses mit 0,18-µm-Strukturen produziert, seine Leistungsfähigkeit wurde in Zusammenhang mit einem MIDE PPA-1011-Transducer getestet.