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Wearables

Schaltregler-IC verlängert Batterielebensdauer

10. Dezember 2015, 8:45 Uhr | Anub Gupta, Senior Marketing Manager für Mobile Products bei Intersil

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vorregler unterstützen LDOs

Mehrere Anwendungen wie das Wi-Fi- und Display-Modul versorgt ein LDO. Arbeitet dieser eingangsseitig direkt an der Batterie, sorgt diese Peripherie für größere Leistungsverluste, da der Wirkungsgrad eines LDO dem Quotienten aus Uout und Uin entspricht. Bei höherer Last sorgt der LDO für höhere Verluste und erzeugt mehr Wärme. Mit einem Buck/Boost-Wandler als Vorregler für den LDO erhöht sich der Wirkungsgrad des gesamten Systems. In dieser Konfiguration arbeitet der LDO dauerhaft mit einer konstanten, niedrigeren Eingangsspannung (Buck/Boost-Ausgang), was gegenüber der Direktversorgung aus der Batterie den Leistungsverlust senkt.

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Kommen mehr Wearable-Funktionen hinzu, ist eine höhere Rechenleistung erforderlich, was ein noch effizienteres Power-Management erfordert. Arbeiten mehrere Anwendungen gleichzeitig, kann ein kurzer hoher Stromimpuls die lokale Knotenspannung so weit absenken, dass sie unter die minimal erlaubte Eingangsspannung fällt. Dies kann ein Abschalten (Reset) verursachen, was natürlich unerwünscht ist. Vermeiden lässt sich dies, wenn der Buck/Boost-Regler als Vorregler für diese Blöcke dient, zum Beispiel für das LCD und für Anwendungen, die über LDOs versorgt werden.

Der ISL9120 bietet einen recht hohen Wirkungsgrad sowohl bei niedriger als auch bei hoher Last (Bild 3). Seine adaptive PFM (Pulse Frequency Modulation) sorgt für einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % bei hoher Last und mehr als 86 % bei niedriger Last. Dies garantiert eine geringeren Stromaufnahme und weniger Wärmeentwicklung, was die Batterielebensdauer verlängert und Platz auf der Platine einspart, da keine externen Kühlkörper erforderlich sind. Um den Wirkungsgrad über den Ausgangsstrombereich zu optimieren, enthält der Chip ein mehrstufiges Strombegrenzungsschema mit 32 Stufen zwischen 350 mA und 2 A.

Der Übergang von einer Stufe auf die nächste bestimmt sich durch die Anzahl der Pulse in einem PFM-Burst (Impulszahl) bestimmt (Bild 4). Bei einer bestimmten Spitzenstromgrenze erhöht sich die Pulszahl, sobald der Ausgangsstrom steigt. Erreicht die Pulszahl die obere Schwelle der bestehenden Strombegrenzung, schaltet diese auf die nächsthöhere Stufe. Und erreicht die Pulszahl die untere Schwelle der bestehenden Strombegrenzung, wird auf nächstniedrigere Ebene der Spitzenstrombegrenzung geschaltet. Erreicht die Pulszahl die obere Schwelle der höchsten Strombegrenzung, steigt diese nicht weiter.

Der ISL9120 bietet auch einen erzwungenen Bypass-Modus, wenn eine Ausgangsregelung nicht erforderlich ist. Im Standby nimmt der Baustein weniger als 0,5 µA auf. Der Buck/Boost-Regler wendet seinen erzwungen Bypass-Modus bei der LDO-Versorgung an, wenn sich der LDO im Standby-Modus mit nahezu Null Ausgangsstrom befindet. Unter diesen Umständen beeinflusst der Buck/Boost-Regler im Bypass-Modus den LDO nicht, spart aber die 41 µA Ruhestrom ein, die er sonst aufnimmt.