Der Stellenwert des Buck-/Boost-Wandlers
Über traditionelle Stromversorgungs-Designs hinaus
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
24-V-Sensor-Applikationen
Bild 4 zeigt eine batteriebetriebene Stromversorgung für 24-V-Sensoren. Der Strom für den Sensor wird von einer zuverlässigen, langlebigen Lithium-Thionylchlorid-Batterie geliefert. Um die Lebensdauer zu erhöhen wird der Sensor nur für kurze Intervalle aktiviert – mit einer langen Zeitspanne zwischen den Aktivierungen. Im inaktiven Zustand ist der Strombedarf nahezu Null.
Die 200-mA-Eingangsstrombegrenzung des LTC3130/-1 wird verwendet (ILIM-Pin = GND), um die Spitzenströme zu minimieren, die von den Hochstrom-Ausgängen der Lithium-Thionylchlorid-Batterie gezogen werden, wenn der Sensor aktiviert ist. Auch dies verlängert die Lebensdauer der Batterie. Der LTC3130/-1 wird abgeschaltet, wenn sein Run-Pin während langer Ruhephasen auf Low liegt und nur 1 µA vom 24-V-Ausgang bezieht.
Der Sensor wird ebenfalls vom 24-V-Pegel getrennt oder abgeschaltet, um die Entladung des 24-V-Ausgangskondensators während der langen Ruheperioden zu minimieren. Mit dem 24-V-Ausgangspegel, der auf diese Weise beibehalten wird, kann der Sensor schnell wieder aufwachen, die erforderliche Messung durchführen und dann wieder abschalten, ohne darauf warten zu müssen, dass die 24-V-Versorgungsspannung aufgeladen wird. Während des normalen Sensorbetriebs erreicht der DC/DC-Wandler einen Wirkungsgrad von bis zu 83 %.
Bootstrapping
Der EXTUcc-Eingang des LTC3130 versorgt das IC bei mehr als 3 V (Bereich: 3 V bis 25 V). Der EXTUcc-Eingang kann verwendet werden für:
- Das Bootstrapping auf UOUT, um eine niedrigere UIN-Fähigkeit zu erzeugen
- Das Bootstrapping auf UOUT für einen höheren Wirkungsgrad bei hoher UIN
- Hochfahren von einer externen Quelle für Anwendungen mit sehr kleiner UIN (Bild 5).
24-V-Sensor-Applikationen, Bilder 4-6
Der MPPC-Eingang (Maximum Power Point Control) des LTC31307-1 kann mit einem externen Spannungsteiler dazu benutzt werden, den gewünschten Spulenstrom dynamisch einzustellen, um eine minimale Eingangsspannung bei der Verwendung von hochohmigen Quellen aufrecht zu erhalten. Dies ist zum Beispiel bei Photovoltaikmodulen der Fall.
Auf diese Weise lässt sich die Übertragung der Eingangsleistung maximieren und verhindern, dass UIN zu weit unter die Last abfällt. Das verschiebt die Eingangsspannung des Wandlers für die maximale Leistungsausbeute an einen programmierbaren Punkt, wenn an verschiedenen nicht-idealen Stromquellen, zum Beispiel an Solarzellen, gearbeitet wird (Bild 6).
| Die wichtigsten Merkmale des Buck-/Boost-Wandlers LTC3130 |
|---|
Der LTC3130/-1 besitzt einen ausreichend großen Spannungsbereich, um Eingangssysteme mit ein bis sechs in Reihe geschalteten Lithium-Akkus sowie Systeme mit 12 V Nennspannung, die großen Rauschspitzen ausgesetzt sind, zu handhaben. Außerdem haben sie die Fähigkeit, 24-V-Sensoren zu versorgen. Eine Spulenstrombegrenzung von garantiert minimal 660 mA sorgt für Ausgangsströme im Boost-Modus, die insbesondere für 24-V-Sensoren geeignet sind, die an geringen Eingangsspannungen arbeiten müssen, beispielsweise an 3,3 V, an 5 V oder an Batterien. Zur Ausstattung der Bausteine zählen vier interne N-Kanal-MOSFETs mit geringem On-Widerstand, sodass ein Wirkungsgrad von bis zu 95 % erzielbar ist. Zum Einschalten der Wandler genügen Spannungsquellen, die nur 8,5 µW liefern. Dadurch eignet sich der LTC3130/-1 sogar für den Betrieb an Dünnschicht-Solarzellen. Alternativ kann der Burst-Modus deaktiviert werden, was ein kontinuierliches Schalten mit geringem Rauschen ermöglicht. Die Bausteine integrieren darüber hinaus eine programmierbare MPPC-Funktion (Maximum Power Point Control), die sicherstellt, dass die maximale Leistung auch von nicht-idealen Energiequellen wie Solarzellen geliefert werden kann. Der LTC3130-1 verfügt über alle Funktionen des LTC3130, bietet aber zusätzlich vier vom Anwender wählbare feste Ausgangsspannungen: 1,8 V, 3,3 V, 5 V und 12 V. Dadurch entfällt der Widerstandsteiler, der bei der Version mit einstellbarem Ausgang benötigt wird. Mit seinen Eigenschaften eignet sich der Buck-/Boost-Wandler insbesondere für ständig eingeschaltete Applikationen, in denen die Batterielaufzeit von entscheidender Bedeutung ist. Einsatzmöglichkeiten sind batteriebetriebene Messgeräte, tragbare Funkgeräte und Sensoren mit geringem Leistungsbedarf. Der LTC3130/-1 ist in einem thermisch optimierten, 3 mm x 4 mm messenden QFN- Gehäuse mit 20 Anschlüssen sowie im MSOP-Gehäuse mit 16 Anschlüssen lieferbar. |
Die Autoren
Steve Knoth
ist Senior Product Marketing Engineer bei Analog Devices.Er ist verantwortlich für zahlreiche Produktentwicklungen wie PMICs, LDOs, Batterielade-ICs, Supercap-Lade-ICs und monolithische Schaltregler. Bevor Knoth im Jahr 2004 zu Linear Technology, jetzt Analog Devices, kam, hatte er diverse Positionen in Marketing und Product Engineering bei Micro Power Systems, Analog Devices und Micrel Semiconductor inne. Seinen Bachelor und Master in Elektrotechnik absolvierte er an der San Jose State University. Daneben erwarb er einen MBA in Technologie-Management an der University of Phoenix.
David Loconto
ist Design Center Manager bei Analog Devices und für die Produktentwicklungs-Aktivitäten von mehr als 30 Mitarbeitern verantwortlich. Das Entwicklungsteam beschäftigt sich vornehmlich mit portablen Power-Management-Lösungen und Energy-Harvesting-Anwendungen. Loconto designte selbst zahlreiche ICs für Linear Technology, jetzt Analog Devices, und zuvor für Unitrode. Er hält einen Bachelor in Elektrotechnik der Rensselaer Polytechnic University sowie einen Master in Elektrotechnik der University of California Berkeley.
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