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Für hohe Zuverlässigkeit

Neue Leistungs-ICs für drahtlose Medizingeräte

19. Januar 2018, 8:30 Uhr | Matthias Heise

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Buck-Boost-Wandler für größere Spannungsbereiche

Während die Zahl der Versorgungsspannungen in den funktionsreichen Patientenmonitoring-Systemen gestiegen ist, sind die Versorgungspannungspegel weiter gesunken. Dennoch benötigen diese Systeme weiterhin einen weiten Spannungsbereich von 1,x V bis 8,x V für die Versorgung von Motoren, von Low-Power-Sensoren, von Speichern, Mikrocontroller-Kernen, I/Os und der Logik.

Traditionell wurden diese Versorgungsspannungen von Abwärtsschaltreglern bereitgestellt oder von LDOs. Diese ICs sind aber nicht optimiert für den Einsatz in Back-up-Batterie-Systemen, in denen die Netzversorgung ausfallen kann. Wird aber ein Buck-Boost-Wandler eingesetzt, wird die Nutzung des vollen Batteriespannungsbereichs ermöglicht. Das erhöht den Betriebsspielraum und die Batterielaufzeit besonders am unteren Ende des Entladeprofils.

DC/DC-Wandlerlösungen erfüllen also die Systemanforderungen beim Betrieb mit Primärzellen. Neben den gezeigten Merkmalen sollten sie weitere Attribute bieten:

Einen breiten Eingangsspannungsbereich, um eine regulierte Ausgangsspannung aus allen Batterietypen und deren zugehörigen Spannungspegeln zu erzeugen
Einen geringen Ruhestrom im Betrieb und abgeschaltet, um die Batterielaufzeit zu verlängern
Hohe Effizienz
Möglichkeit des präzisen Zählens der Ladung zur Bestimmung des Ladezustands ohne den Ruhestrom zu beeinträchtigen
Einschaltstrombegrenzung zum Schutz der Zellen.
Klein, leicht und niedrig
Thermisch optimierte Gehäuse.

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LTC3119 für Medizinanwendungen

Ein neuer Leistungs-IC, der diese Anforderungen erfüllt, ist der LTC3119 von Linear Technology (Bild 1). Er ist ein synchroner Current-Mode-Buck-Boost-Wandler, der im Abwärtsmode einen kontinuierlichen Ausgangsstrom von 5 A aus den verschiedensten Quellen liefern kann, einschließlich aus Einfach- und Mehrfach-Batteriezellen, ungeregelten Steckernetzteilen, Solarzellen und Supercaps.

Der Eingangsspannungsbereich geht beim Start von 2,5 V bis 18 V. Nach dem Start sinkt die Untergrenze dann bis auf 250 mV. Der IC liefert eine geregelte Ausgangsspannung, die über, unter oder gleich der Eingangsspannung sein kann. Sie ist programmierbar im Bereich 0,8 V bis 18 V. Im vom Anwender wählbaren Burst Mode beträgt der Ruhestrom nur 31 μA, was die Effizienz bei leichten Lasten erhöht und somit die Batterielaufzeit verlängert.

Die proprietäre 4-Schalter PWM-Buck-Boost-Topologie bietet ein gering rauschendes und Jitter-freies Schalten in allen Betriebsarten. Somit eignet sich der Baustein gut für HF- und präzise Analogapplikationen, die empfindlich auf Rauschen der Stromversorgung reagieren.

Das Bauteil bietet auch eine programmierbare Maximum Power Point Control (MPPC) die sicherstellt, dass die maximale Leistung von einer Quelle mit hoher Ausgangsimpedanz, einschließlich von Solarzellen, zur Verfügung steht. Bild 2 zeigt hierfür ein vereinfachtes Schaltbild.

Der LTC3119 bietet vier interne N-Kanal MOSFETs mit geringem RDSON und eine Effizienz bis zu 95 % (Bild 3). Der Burst Mode kann für niedriges Rauschen abgeschaltet werden. Die interne PLL, extern programmier- oder synchronisierbar, arbeitet im Bereich 400 kHz bis 2 MHz. Das ermöglicht ein Abwägen zwischen Wandlungseffizienz und Größe. Der LTC3119 ist geeignet für HF-Strom-versorgungen, Applikationen mit gepulsten Lasten, System-Back-up und Wandlersysteme mit 12-V-Bleibatterien.

Tony Armstrong von Linear Technology, jetzt Teil von Analog Devices