Wearables Schaltregler-IC verlängert Batterielebensdauer

Marktforscher wie ABI Research gehen davon aus, dass der Markt für Wearables jährlich um 56,1 Prozent wächst und bis zum Jahr 2018 an die 487 Millionen dieser Geräte in Betrieb sind. Doch trotz immer mehr Funktionen soll die Batterielebensdauer nicht sinken, eher im Gegenteil.

Zu Wearables zählen heute Smartwatches wie »Samsung Gear« und die »Apple Watch«, die Datenanbindung, ein Display und zahlreiche Funktionen bereitstellen. Fitnessorientierte Wearables wie »Fitbit Flex« und »Jawbone UP4« sind für Datensammlung und Fitness-Tracking ausgelegt. Mit der wachsenden Beliebtheit der Wearables fragen sich die Nutzer allerdings, wie lange sie die Geräte betreiben können, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. Die Batterielebensdauer ist einer der wichtigsten Punkte auf der Checkliste der Verbraucher, wenn es um die Anschaffung solcher Produkte geht.

Die üblichen Stromversorgungen für Wearables verwenden mindestens drei DC/DC-Regler und drei bis fünf LDOs (Low-Dropout-Regler), was wertvollen Platz auf der Platine einnimmt. LDOs sind zudem nicht so effizient und zuverlässig wie beispielsweise ein Buck/Boost-Regler. Versorgen LDOs die Peripherie in einem System über einen Li-Ionen-Akku (Uout = 3,3 V), kann eine hohe Strombedarfsspitze des Anwendungsprozessors dazu führen, dass die Eingangsspannung Uin unter die geregelte Ausgangsspannung des LDO einbricht. Dies wiederum kann bewirken, dass der Speicher zurücksetzt (Reset) oder sich die Anwendung abschaltet.

Der Buck/Boost-Schaltregler »ISL9120« von Intersil (Bild 1) beseitigt Probleme durch Lasttransienten. Der 1,41 mm × 1,41 mm große Baustein kommt mit nur einer externen Induktivität aus. Weil er die Spannung anhebt (Boost), deckt er somit einen Uin-Bereich von 1,8 V bis 5,5 V ab. Die Ausgangsspannung lässt sich von 1 V bis 5,2 V einstellen. Der adaptive PFM-Betrieb mit erzwungenem Bypass-Modus und 2-A-Schalter unterstützen niedrige und hohe Lastströme bei hohem Wirkungsgrad, was die Batterielebensdauer verlängert und weniger Verlustwärme erzeugt. Im Standby-Betrieb des Systems (wenn keine Regelung erforderlich ist) geht der Regler in den erzwungenen Bypass-Modus über. Damit sinkt die Stromaufnahme auf einen Ruhestrom von weniger als 0,5 µA.

Ein Wearable-Gerät setzt sich aus einem Mikroprozessor, Speicher, Display, Sensoren, einem Kommunikations-IC und Batterieladeblöcken etc. zusammen. Bild 2 zeigt das Stromversorgungssystem einfacher Wearables. Wie kann ein Buck/Boost-Regler nun ein Wearable-Gerät aufwerten? Benötigt eine Anwendung eine Eingangsspannung von etwa 3,3 V bis 3,6 V, nutzt ein Buck/Boost-Regler einen breiteren Spannungsbereich von 4,375 V bis 2,5 V, wie es die Batteriechemie vorgibt. Der Regler arbeitet im reinen Boost-Modus, wenn Ubat 2,5 V bis 3 V beträgt. Er wechselt in den Buck/Boost-Modus, wenn Uin im Bereich über 3 V und unter 3,9 V liegt, und geht bei einer Ubat von 3,9 V bis 4,5 V in den reinen Buck-Modus über.