Flache Stromversorgung für tragbare Geräte

Gerade bei tragbaren Geräten wie Digitalkameras muss die Stromversorgung auch sehr flach sein. Das in diesem Fall begrenzende Bauelement ist die Spule. Kommen mehrkanalige DC/DC-Wandler zum Einsatz, lässt sich die Bauhöhe meist verkleinern. Dieser Beitrag beschreibt eine zweiphasige Stromversorgungslösung für 1,2 V/1,6 A mit einer maximalen Höhe von 1,2 mm.

Gerade bei tragbaren Geräten wie Digitalkameras muss die Stromversorgung auch sehr flach sein. Das in diesem Fall begrenzende Bauelement ist die Spule. Kommen mehrkanalige DC/DC-Wandler zum Einsatz, lässt sich die Bauhöhe meist verkleinern. Dieser Beitrag beschreibt eine zweiphasige Stromversorgungslösung für 1,2 V/1,6 A mit einer maximalen Höhe von 1,2 mm.

Von Markus Matzberger

Moderne tragbare Geräte wie Digitalkameras bieten hochauflösende Bilder und Videoverarbeitung. Allerdings benötigen diese Funktionen immer mehr Prozessorleistung. Zum Glück muss der Prozessor eine solch hohe Verarbeitungsleistung meist nur während kurzer Zeiträume erbringen. Die übrige Zeit läuft er zumeist mit reduzierter Leistung oder befindet sich im Leerlauf. Dieses Betriebsschema erfordert eine effiziente Stromversorgung, die für kleine und mittlere Lastströme optimiert ist, aber auch hohe Spitzenströme liefern kann. Aufgrund von Höhenbeschränkungen ist zudem eine flache Bauweise von Bedeutung.

Im Folgenden wird eine Stromversorgungslösung für 1,2 V/1,6 A mit einer maximalen Höhe von 1,2 mm beschrieben, die auf dem Zweifach-Abwärtswandler »TPS62410« von Texas Instruments basiert. Dieser Baustein enthält zwei separate Abwärtswandler für je 800 mA in einem 3 mm x 3 mm großen QFN-Gehäuse mit zehn Anschlüssen. Beide Wandlerkanäle nutzen denselben internen Takt von 2,25 MHz, arbeiten aber mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander. Normalerweise kommt dieser Baustein zum Einsatz, wenn zwei separate Ausgangsspannungen nötig sind.

Bei dem vorliegenden Konzept arbeiten die zwei Wandler parallel, um für eine Ausgangsschiene einen höheren Ausgangsstrom zu erhalten. Aufgrund der Phasenverschiebung von 180° der beiden Wandler erreicht man einen Zweiphasenbetrieb.

Im Vergleich zu einem Einphasenwandler bietet die Zweiphasenkonfiguration die folgenden Vorteile, die wir im Folgenden noch genauer erörtern wollen:

• Geringere Gesamtbauhöhe der Lösung, da anstelle einer großen Spule zwei kleinere und viel flachere Spulen verwendet werden können.
• Besseres Ansprechverhalten bei Laständerungen.
• Der Betrieb mit 180° Phasenverschiebung führt zu einem Zweiphasenbetrieb mit einer doppelt so hohen effektiven Schaltfrequenz (4,5 MHz anstelle von 2,25 MHz).

Bild 1 zeigt das Schaltbild. Die Ausgangsspannung der beiden Wandler ist mithilfe eines externen Spannungsteilernetzwerks, das aus R₁₁, R₁₂, R₂₁, R₂₂ und C_ff besteht, auf 1,2 V eingestellt.

Jeder Wandler nutzt die gleiche, am Anschluss SW des Wandlers angeschlossene 2,7-μH-Spule und einen Ausgangskondensator von 10 μF. Die Ausgänge VOUT1 und VOUT2 sind über die Lastausgleichswiderstände R_BAL mit einem Wert von 22 mΩ zusammengeschaltet.

Diese Widerstände dienen dazu, den Laststrom mehr oder weniger gleichmäßig zwischen den beiden Wandlern aufzuteilen. Anderenfalls würde der eine Wandler mit seinem maximalen Ausgangsstrom betrieben, während der andere nur einen kleinen Bruchteil der Last übernähme.

Bei dieser Konfiguration ist von entscheidender Bedeutung, dass der Energiesparbetrieb bei beiden Wandlern aktiviert wird, um bei kleinen Lasten die größtmögliche Energieeffizienz zu erreichen.

Aus diesem Grund ist der Anschluss MODE/DATA mit Masse verbunden, sodass die Wandler bei kleinen Lasten Schalttakte übergehen können (Pulse Skipping). Damit die Regelung der Ausgangsspannung aufrechterhalten bleibt, unterbrechen die Wandler die Leistungswandlung, sobald die vom Eingang zum Ausgang übertragene Ladung größer wird als die Entladung durch die Last.

Bild 2 veranschaulicht die Funktion der Zweiphasenkonfiguration. Es zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des TPS62410 mit den zwei DC/DC-Wandlern, ihren Leistungsstufen, der Takterzeugung und den internen Referenzspannungen. Wie schon oben erwähnt, erreicht der Baustein den Zweiphasenbetrieb dadurch, dass die High-Side-Schalter beider Wandler mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten.

So arbeitet die Zweiphasenkonfiguration

Da die Strombelastbarkeit der internen MOSFETs überschritten werden kann, haben Schaltungsentwickler möglicherweise Vorbehalte gegen die parallele Zusammenschaltung zweier Ausgangsstufen gemäß Bild 1. Solche Bedenken sind jedoch unbegründet, da der TPS62410 einen integrierten Überstromschutz für die MOSFET-Schalter beinhaltet. Der Strom in den Schaltern wird in jedem Zyklus überwacht. Sobald der Strom den Wert von 1,2 A erreicht, wird der Schalter abgeschaltet. Eingeschaltet wird er erst wieder, wenn der Strom unter diesem Wert liegt.

Bild 3 veranschaulicht die extrahierten Wellenformen der zwei Phasen für die Ströme I_S11, I_S12, I_S21, I_S22 durch die MOSFETs, die Spulenströme I_L1, I_L2 und den resultierenden Strom I_CIN vom Eingangskondensator. I_CIN ist der vom Eingangskondensator kommende Strom und bildet die Summe der durch die Schalter fließenden Ströme I_S11 und I_S21. Die Frequenz des Wechselstromanteils von I_CIN ist doppelt so hoch wie die Schaltfrequenz und beträgt daher 2 x 2,25 MHz = 4,5 MHz. Verglichen mit einphasigen Abwärtswandlern besteht der Vorteil des Zweiphasenbetriebs im geringeren Wechselstromanteil im Eingangskondensator C_IN. Bei Einphasenbetrieb entspricht die Frequenz des Impulsstroms der »einfachen« Schaltfrequenz, aber die Amplitude des Wechselstromanteils ist doppelt so groß. Außerdem führt ein geringerer Wechselstromanteil am Eingangskondensator zu einem geringeren Wechselspannungsanteil am Eingangskondensator.

1. Flache Stromversorgung für tragbare Geräte
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