Viele heute übliche Verfahren zielen auf das Einsparen von Energie ab. Neben der ökologischen Bedeutung eines geringeren Energieverbrauchs ist das Einsparen von Energie mitunter auch anwendungsgetrieben. So sind beispielsweise eine Vielzahl automobiler Steuergeräte daueraktiv und entladen fortwährend die Fahrzeugbatterie. Wenn Chiphersteller und Entwicklungsingenieure nicht auf einen „Low Iq“, also eine niedrige Ruhestromaufnahme achten würden, wäre das Anlassen eines geparkten Fahrzeugs nach einem dreiwöchigen Urlaub nicht mehr möglich.
Bild 1: Blockschaltbild der Low-Iq-LDO-Familie BD7xxLxRohm
Während manche Steuergeräte vollständig abgeschaltet werden können, existiert eine ganze Reihe von Verbrauchern, die auch im Stillstand aktiv oder teilaktiv bleiben. Sie entladen, zusätzlich zur Selbstentladung, die Fahrzeugbatterie. Die Verbraucher bleiben aktiv beziehungsweise im Stand-by-Betrieb, da dies entweder gesetzlich gefordert wird, die Verbraucher sicherheitsrelevant sind (Kollisionsdetektion, Airbag und Ähnliches), eine grundlegende Fahrzeugfunktion gewährleisten (Zentralverriegelung, Diebstahlsicherung, Energiemanagement) oder schlichtweg den Insassen einen Komfort bieten (zum Beispiel Radio und Bluetooth).
Ein Ruhestrommanagement budgetiert die Ruhestromaufnahme im Fahrzeug nach Abschalten der Zündung in unterschiedlichen Zeitintervallen. Das Ruhestrommanagement, welches ursprünglich vornehmlich für die hochausgestatteten Fahrzeugmodelle der Oberklasse erforderlich war, ist durch den drastischen Zuwachs an Steuergeräten zu einer generellen Thematik geworden, die mittlerweile alle Automobilhersteller und alle Modellklassen betrifft. So kommt es, dass bisweilen 30 bis 50 Verbraucher permanent Energie verbrauchen – entweder als aktives System oder als System, das in einen Ruhezustand (Standby Mode“) versetzt ist, also nur teilaktiv ist. Das Energiemanagement des Fahrzeugs versetzt den Großteil der Fahrzeugmodule zeitgesteuert nach üblicherweise 30 bis 60 Minuten in den Ruhezustand. Die Ströme aller Fahrzeugmodule summieren sich dann jedoch immer noch zu einigen 10 mA. Diese sogenannten Stillstandsverbraucher können nach längerer Zeit zu einer nennenswerten Entladung einer Fahrzeugbatterie führen.
Seit mehreren Jahren reduzieren Fahrzeughersteller die Spezifikation der maximalen Ruhestromaufnahme pro Modul daher auf mittlerweile 100 µA pro Modul, mitunter sogar weniger – ein Trend, der sich im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung im Automobilbereich fortsetzen wird.
Für Automobilzulieferer und Entwicklungsingenieure bedeutet dies, dass sie sich mit der Ruhestromaufnahme der in den Modulen eingesetzten Prozessoren und ICs auseinander setzen müssen. Neben den Verbrauchern, meist ein Mikrocontroller und daran angeschlossene Sensoren, muss auch die Stromversorgung in diesen Modulen den Anforderungen an eine geringe Ruhestromaufnahme gerecht werden. Die dafür eingesetzten Linearregler oder Schaltwandler (DC/DC-Wandler) müssen daher ebenfalls einen niedrigen Stromverbrauch für den Eigenbedarf aufweisen. Hierzu existieren speziell optimierte LDOs und seit einiger Zeit auch DC/DC-Wandler mit einer besonders geringen Ruhestromaufnahme. Dies bedeutet, dass die Stromaufnahme, die die Bausteine für ihren eigenen Betrieb benötigen, durch geschicktes Chipdesign auf ein Minimum reduziert wurde.
Die Ruhestromaufnahme wird ermittelt, wenn keine Last am Ausgang vorhanden ist und die Ausgangsspannung auf ihren Sollwert geregelt wird. Es handelt sich somit um den Strom, der von der integrierten Schaltung in diesem Fall aufgenommen wird. Im englischen Sprachgebrauch ist hier vom Quiescent Current Iq, Ruhestrom, die Rede.
Maßnahmen zur Senkung der Ruhestromaufnahme bei LDOs und DC/DC-Wandlern
Die einfachste und wirkungsvollste Maßnahme zur Reduktion der Leistungsaufnahme eines Mikrochips ist das Abschalten von nicht benötigten Schaltungsblöcken. In einigen Fällen lassen sich Schaltungsblöcke aber nicht komplett abschalten, da beispielsweise die Zeit zur Reaktivierung zu lange ist. Bei solchen analogen Blöcken werden die Zweigströme nicht komplett abgeschaltet sondern auf einen Bruchteil reduziert. Somit bleiben die Schaltungen in ihrem Arbeitspunkt und besitzen eine schnellere Reaktionszeit, wenn sie wieder benötigt werden. Eine weitere elegante Möglichkeit für analoge Schaltungen ist das Adaptive-Biasing. Hier werden die Ströme an die Situation automatisch stufenlos angepasst und bewegen sich in einem definierten Rahmen.
Am Beispiel eines LDOs und eines Abwärtswandlers zeigt dieser Beitrag im Folgenden einige Mechanismen, die in diesem Zusammenhang eine Rolle spielen. Als Beispiele dienen hierbei die Baureihen BD7xxLx und BD9901x von Rohm.
Bild 2: Blockschaltbild des Low-Iq-DC/DC-Wandlers BD9901x.Rohm
Neben der Reduzierung der Stromaufnahme der einzelnen Blöcke ist bei einem Linearregler (Bild 1) der Stromfluss des ausgangsseitigen Spannungsteilers von Bedeutung. Dieser Spannungsteiler führt die Ausgangsspannung in den Fehlerverstärker zurück, um die Regelabweichung zu bestimmen. Bei Festspannungsreglern ist dieser Spannungsteiler integriert, sodass der in ihm fließende Strom und in den Iq dieses LDOs mit einfließt. Bei einstellbaren Typen gilt es, den zusätzlichen Stromfluss durch den externen Spannungsteiler ebenfalls in der Gesamtstromaufnahme zu berücksichtigen.
Ungleich schwieriger ist die Reduktion der Ruhestromaufnahme im Falle eines DC/DC-Wandlers, da es sich hier um ein geschaltetes System handelt. Rohm entwickelte hierfür einen Schaltregler zum Einsatz im Automobil, der einen Ruhestrom I_q von lediglich 22 µA aufnimmt und dabei in der Lage ist, die Ausgangsspannung von 3,3 V oder 5,0 V aufrecht zu erhalten, wenn keine Stromlast am Ausgang vorhanden ist. Die Ruhestromangabe von 22 µA ist nicht mit der Stromaufnahme im abgeschalteten Zustand (Shutdown) zu verwechseln. Wird der Chip über seinen Enable-Pin abgeschaltet (Shutdown), dann reduziert sich die Stromaufnahme auf zirka 1 µA. Allerdings ist der Baustein dann aber auch inaktiv; nur der Schaltungsteil zur Detektion der Spannung am Enable-Pin arbeitet im Shutdown-Modus noch.
Bild 2 zeigt das Blockschaltbild des Schaltreglers mit externen Komponenten. Es handelt sich um einen Synchronwandler mit integrierten Leistungs-Transistoren.
Niedriger Ruhestrom
Um die Stromaufnahme bei keiner beziehungsweise niedriger Last am Ausgang zu minimieren, besitzt der Regler den „Simple Light Load Modus“ kurz SLLM. Der DC/DC-Wandler erkennt, wenn der Laststrom am Ausgang (zum Beispiel verursacht von einem Mikrocontroller) eine bestimmte Schwelle unterschreitet. Er geht dann automatisch in den SLLM-Modus. Die Ausgangsspannung wird überwacht und mit einem Sollwert verglichen. Liegt die Ausgangsspannung über dem Sollwert, schaltet der Baustein nicht benötigte Schaltungsteile ab, sodass sie keinen Strom mehr verbrauchen. Bei Modulen, die noch aktiv sein müssen, werden die Zweig- beziehungsweise Bias-Ströme stark gesenkt. In diesem stromsparenden Zustand verbraucht der DC/DC-Wandler nur rund 20 µA. Der Kondensator am Ausgang des Wandlers wird nur sehr langsam entladen, da die Stromlast gering ist. Hierbei ist zu beachten, dass der interne hochohmige Widerstands-Spannungsteiler am Ausgang eine permanente, aber sehr geringe Last darstellt. Unterschreitet die Ausgangsspannung schließlich den Sollwert, werden alle Schaltungsteile wieder voll aktiviert und der Wandler beginnt zu schalten. Bleibt die Last gering, reichen einige Schaltzyklen, um den Spannungswert am Ausgang minimal anzuheben. Der DC/DC-Wandler detektiert diesen Anstieg und schaltet die nicht benötigten Schaltungsteile wieder ab beziehungsweise senkt die Bias-Ströme. Die Detektion, wann die Ausgangsspannung über dem Sollwert liegt, erfolgt gemäß dem folgenden Algorithmus: Ist die Ausgangsspannung zu hoch, überspringt der DC/DC-Wandler das Schalten und zählt dabei Anzahl der ausgelassenen Schaltzyklen. Ist eine bestimmte Zahl erreicht, geht der Wandler in den stromsparenden Zustand.
Der Trick für die geringe Stromaufnahme im SLLM-Modus ist, dass der Zeitraum in der sich der DC/DC-Konverter im stromsparenden Zustand befindet, sehr viel länger ist, als die Zeit, in der der Regler schaltet. Bildet man den Mittelwert über die Stromaufnahme erhält man den typischen Wert von 22 µA, obwohl der Wandler beim Schalten wesentlich mehr Strom verbraucht (rund 1 mA für die chipinternen Module).
Den detaillierten Beitrag finden Sie in dem PDF-Dokument.
(av)
