Duales DC/DC-Wandler-IC
Zwei Ausgangsspannungen mit einer gemeinsamen Speicherdrossel
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Leistungsfähigkeit
Das erste entscheidende Stichwort im Zusammenhang mit dem STw4141 ist der Wirkungsgrad. Zu seiner Verbesserung wurden verschiedene Maßnahmen getroffen, wie zum Beispiel die Synchrongleichrichtung, die Implementierung eines Modus für Pulsfrequenzmodulation (PFM), die Herbeiführung minimaler Schalt- und RDS(on)-Verluste und eine ausgefeilte interne Ein-/Ausschalt-Strategie.
Die Synchrongleichrichtung ist ein Verfahren zur Verringerung der aus der Durchlassspannung UF resultierenden Verlustleistung an der Diode D. Der NMOS-Transistor T2 schließt die Diode D während der Sperrverzögerungszeit kurz und senkt dadurch die Verlustleistung, denn es gilt:
Der bekannte Nachteil der Synchrongleichrichtung ist, dass der Strom in der Induktivität sein Vorzeichen ändern kann, was zu zusätzlichen Verlusten führt. Der STw4141 löst dieses Problem mit Hilfe einer präzisen Nulldurchgangs-Erkennung, die den NMOS-Transistor T2 exakt bei IL = 0 abschaltet und eine Stromumkehr dadurch unterbindet. Die Implementierung der Synchrongleichrichtung im STw4141 trägt entscheidend zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei mittleren Ausgangsleistungen bei.
Um den Wirkungsgrad bei sehr geringer Ausgangsleistung zu steigern, wechselt der Baustein in den PFM-Modus, in dem die Energieumwandlung nicht mehr synchron zum internen Oszillator, sondern nach Bedarf erfolgt. Man minimiert hierdurch die Kommutierungsfrequenz der Leistungsstufe und kann den im PFM-Modus nicht benötigten internen Oszillator deaktivieren, wodurch sich eine erhebliche Senkung der Verlustleistung einstellt (Bild 5). Die Wahl der richtigen Betriebsart kann vom STw4141 ohne Zutun des Anwenders selbsttätig getroffen werden, wodurch immer ein optimaler Wirkungsgrad sichergestellt ist.
Ob der PFM-Modus genutzt wird oder nicht, hängt von der Anwendung ab. Wegen der asynchronen Energieumwandlung in der PFM-Betriebsart können Schaltungs-teile des zu versorgenden Gerätes durch elektromagnetische Interferenzen gestört werden. In einer solchen Situation bieten sich für die Konfiguration des STw4141 zwei Alternativen an:
- vollständige Deaktivierung des PFM-Modus oder
- kein automatischer, sondern ein vom Anwender gesteuerter Betriebsartwechsel.
Die Möglichkeit, den Wechsel in den PFM-Modus vom Anwender auslösen zu lassen, erlaubt das Entwickeln von Systemen, die einen hohen Wirkungsgrad erreichen und dennoch keine unerwünschten Störsignale erzeugen. Ein Beispiel für ein solches System ist ein Mikroprozessor, der 95 % der Zeit im Standby-Modus verbringt. Der Baustein muss auch in diesem Zustand seine Daten behalten und kann somit vom STw4141 im PFM-Modus versorgt werden. Wenige Mikrosekunden bevor das Aufwecksignal an den Mikroprozessor gesendet wird, kann der STw4141 in den PWM-Modus (Pulsweitenmodulation) versetzt werden, in dem er so lange belassen wird, bis die Anweisung zum Wechsel in den Standby-Modus kommt.
Zusätzliche Funktionen
Das zweite Stichwort im Zusammenhang mit dem STw4141 ist die Vielseitigkeit. Wie bereits erwähnt, können elektromagnetische Störsignale (EMV) ein Problem sein, sodass dieses Phänomen bei empfindlichen Schaltungen stets untersucht wird. Eine solche Untersuchung kann ergeben, dass in der betreffenden Anwendung bestimmte Frequenzen gemieden werden sollten, während andere unkritisch für die Funktion des Gesamtsystems sind. Nun kann es passieren, dass die Frequenz des internen Oszillators im STw4141 – unter Berücksichtigung seiner Streuung – genau in das unerwünschte Frequenzband fällt. Der STw4141 ist deshalb mit einer PLL-Stufe (Phase-Locked Loop) ausgestattet, mit deren Hilfe der Anwender den Oszillator innerhalb eines weiten Frequenzbereichs synchronisieren und so außerhalb des kritischen Frequenzbandes legen kann. Die PLL-Schaltung eignet sich ebenfalls, um die Streuung des internen Oszillators zu unterdrücken und den STw4141 zum übrigen System zu synchronisieren.
Die höhere der beiden Ausgangsspannungen (UA1) wird in der Regel für die Ein-/Ausgangs-Stufen (UEA) verwendet, während mit der niedrigeren Spannung (UA2) der Prozessorkern (UKern) gespeist wird. Um eine möglichst große Palette von Prozessoren zu unterstützen, gibt es eine ganze Familie von STw4141-Versionen mit unterschiedlichen UEA- und UKern-Spannungen zwischen 1,0 V und 1,8 V. UKern kann vom Anwender über einen speziellen Pin programmiert werden. Nützlich ist dies in Applikationen, in denen sich eine Energieersparnis erzielen lässt, wenn die Versorgungsspannung des Mikroprozessors herabgesetzt wird, solange sich der Prozessor im Sleep-Modus befindet. Das Variieren von UKern kann dabei Hand in Hand mit der bereits angesprochenen Umschaltung zwischen PFM- und PWM-Modus erfolgen, doch ist ein wichtiger Unterschied zwischen beiden zu beachten: Durch das Variieren von UKern lässt sich die Verlustleistung des Prozessors reduzieren, während der Wechsel zwischen PFM- und PWM-Modus dazu dient, die Leistungsaufnahme des STw4141 zu senken. Davon abgesehen tragen jedoch beide Verfahren zur Senkung der Verlustleistung der Applikation insgesamt bei.
Selbstverständlich ist der STw4141 mit einer Spitzenstrombegrenzung und Überhitzungsschutz ausgestattet, was ihn sehr robust macht. Die Spitzenstrombegrenzung ist nicht nur sinnvoll, um das Schaltregler-IC selbst zu schützen, sondern dient auch zur Begrenzung der Stromentnahme aus der Batterie. Ist diese nämlich zu hoch, kann die Versorgungsspannung aufgrund des Innenwiderstands der Batterie stark schwanken.
- Zwei Ausgangsspannungen mit einer gemeinsamen Speicherdrossel
- Leistungsfähigkeit
- Typische Anwendungen
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