Boost-Wandler

Bild 1: IoT-Sensorsystem mit mehreren Spannungsquellen. Maxim

Aufwärts-Schaltregler, auch Boost-Wandler genannt, gehören zu den geschalteten Stromversorgungen. Sie stellen eine geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung, solange die Eingangsspannung geringer ist als die Ausgangsspannung und die spezifizierte Ausgangsleistung nicht überschritten wird. Zu den technischen Daten, auf die Entwickler bei der Auswahl eines Aufwärtswandlers achten, gehören die Eingangs- und die Ausgangsspannung, die Obergrenze des Eingangsstroms, die über die Höhe des Ausgangsstroms entscheidet, die Schaltfrequenz sowie den maximalen Wirkungsgrad.

Auf den ersten Blick scheint ein Aufwärtswandler nicht besonders komplex zu sein. Schließlich besteht seine Aufgabe schlicht darin, eine bestimmte Spannung in eine andere, höhere Spannung zu verwandeln. Man würde also nicht unbedingt vermuten, dass er raffinierte Tricks beherrscht, mit denen sich komplizierte Probleme beim Systemdesign lösen lassen. Doch dieser Beitrag stellt fünf Dinge vor, die bestimmte Aufwärtswandler können, die aber längst nicht jedem bekannt sind.

Mehrere Spannungsquellen zulassen

Einige Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme, wie zum Beispiel dezentrale Sensoren, stützen sich auf mehrere Spannungsquellen, doch ist nicht jeder Boost-Wandler für Anwendungen dieser Art geeignet. Ein typisches Beispiel für solche Anwendungen ist ein Internet-of-Things-Sensor, der von einer langlebigen Primärzelle, einem Energy Harvester für Funkwellen, einem USB-Anschluss für die Diagnose im Feld oder sogar (um eine besonders lange Lebensdauer zu erreichen) von einem Solarpanel versorgt werden soll (Bild 1). Diese durch einen hohen Innenwiderstand und eine geringe Ausgangsspannung gekennzeichneten Spannungsquellen benötigen in der Regel einen Aufwärtswandler, um die zur Verfügung gestellte Spannung auf ein sinnvoll nutzbares Niveau anzuheben.

In einem solchen Fall sind Rückströme vom Ausgang an den Eingang oder vom Ausgang zur Masse bei den gerade nicht genutzten Spannungsquellen äußerst ungünstig. In allen Anwendungen mit mehreren Spannungsquellen geht es deshalb darum, jegliche Ausgangs-Leckströme zu unterbinden. Ein gewöhnlicher Aufwärtswandler lässt sich hier gleich aus mehreren Gründen nicht einsetzen. Der erste Grund ist, dass einige Boost-Wandler die ihnen anliegende Last im Shutdown-Modus absichtlich entladen („Active Load Discharge“). Der zweite Grund ist, dass die meisten Aufwärtswandler keinen echten Shutdown-Modus haben, sodass keine wirkliche bidirektionale Trennung zwischen Ausgang und Eingang besteht.

Schließlich kommt hinzu, dass bei herkömmlichen einstellbaren Aufwärtswandlern eine Kette aus Feedback-Widerständen zum Festlegen der Ausgangsspannung verwendet wird. Der Vorteil, den diese Widerstände für das Einstellen der Ausgangsspannung bieten, wird in diesem Fall leider zu einem Nachteil, da in ihnen ein Rückwärts-Leckstrom fließt. Als weitere Option gibt es Aufwärtswandler mit fester Ausgangsspannung, die keine externen Feedback-Widerstände besitzen. Allerdings sind diese Widerstände hier nur in den Chip integriert. Werden diese internen Feedback-Widerstände also im Shutdown-Modus nicht abgeklemmt, fließen die Rückströme über diese Widerstände vom Ausgang zur Masse.

Der neueste Nanopower-Aufwärtswandler MAX17222 von Maxim ist dagegen frei von jeglichen Rückströmen, denn er bietet einen True-Shutdown-Modus, besitzt kein Active-Load-Discharge-Feature und klemmt im Shutdown-Modus alle internen Feedback-Widerstände ab.

 

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