Buck-Boost und DVS

Der ständige Kampf der Batterie gegen die Zeit. Shutterstock / Gearstd

Bild 1: LDO-Eingangsspannungen werden von einem Abwärts/Aufwärtswandler erzeugt. Maxim

Bild 2: Schaltplan eines Aufwärtswandlers mit Bypass. Maxim

Bild 3: Schaltplan eines Abwärts/Aufwärtswandlers. Maxim

Eine typische Stromquelle für tragbare Geräte ist ein einzelner Lithium-Ionen (Li) -Zellen-Akku, der vollgeladen 4,2 und fast vollständig entladen 2,8 V liefert. Einige Funktionen von tragbarer Elektronik, so wie HF-Verstärkerschaltungen für drahtlose Kommunikation und übliche Mikrocontroller, benötigen Versorgungsspannungen mit 2,8 und 3,3 V.

Normalerweise werden diese Versorgungsspannungen von LDOs (Linear Dropout Regulator) erzeugt, die sich durch niedriges Rauschen auszeichnen. Der Eingang der LDOs (V_CC in Bild 1) muss auf einer etwas höheren Spannung liegen als die höchste LDO-Ausgangsspannung. Dadurch fällt V_CC in die Mitte des Betriebsbereichs des Li-Akkus. Infolgedessen wird es nötig, einen Abwärts/Aufwärtswandler zu verwenden, der mit einer Eingangsspannung (V_BATT) arbeiten kann, die höher oder niedriger als die Ausgangsspannung ist.

Bei tragbaren Anwendungen ist die Effizienz des Spannungsreglers von größter Wichtigkeit, da höhere Effizienz zu längerem Betrieb führt. In diesem Artikel werden die verfügbaren Optionen betrachtet, ihre Leistungsfähigkeit verglichen und ein Ansatz in zwei Schritten vorgestellt, der zur effizientesten Lösung führt.

Aufwärtswandler mit Bypass

Ein Weg, um die Diskrepanz der Spannungen von Batterie und LDO auszugleichen, ist die Verwendung eines Aufwärtswandlers mit Bypass, also einem Aufwärtswandler mit einem extra Bypass-Transistor zwischen der Spannungsquelle (V_BATT) und dem LDO-Eingang (V_CC). Bild 2 zeigt die Architektur eines Aufwärtswandlers mit Bypass und seine Betriebstabelle.

Diese Architektur kann nur V_BATT-Spannungen regeln, die unter der festgelegten Spannung V_CC = 3,4 V liegen. Wenn V_BATT > 3,4 V ist, stoppt der Aufwärtswandler die Regelung und der Bypass-Transistor schaltet sich ein. Dadurch wird der V_BATT direkt mit V_CC verbunden. Die meiste Zeit (V_BATT > 3,4 V) gibt der Transistor beim Aufwärtswandler mit Bypass direkt an die LDOs weiter. Die LDOs müssen den hohen V_BATT-Wert auf ihre jeweiligen Ausgangswerte herunter regeln. Da diese Regelung linear erfolgt, ist das Ergebnis eine hohe Verlustleistung im LDO. Die zusätzlich erzeugte Wärme belastet die Leiterplatte hinsichtlich Kosten, Größe und Zuverlässigkeit.

Abwärts/Aufwärtswandler

Im Gegensatz zur Aufwärtswandler-Architektur mit Bypass, wird ein Abwärts/Aufwärtswandler in dieser Schaltung nie aufhören, seine Ausgangsspannung auf 3,4 V zu regeln. Zusätzlich erfolgt die Regelung komplett als Schaltregler, was hohe Effizienz bedeutet. Bild 3 zeigt die Architektur eines Abwärts/Aufwärtswandlers und seine Betriebstabelle.

Wenn V_BATT > V_CC ist, regelt der IC im Abwärtsbetrieb. Wird V_BATT < V_CC, geht er nahtlos in den Aufwärtsbetrieb über, und stellt sicher, dass der V_CC-Ausgang stabil und störungsfrei bleibt. Der gesamte Spannungsbereich des Akkus wird von einem hocheffizienten Schaltregler abgedeckt.

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Bild 4: Testsetup für die Effizienz. Maxim

Im Testsetup von Bild 4 wird die Systemeffizienz (von V_BATT zu V_OUT) von Maxims Abwärts/Aufwärtswandler-IC MAX77816 mit einem Aufwärtswandler mit Bypass eines Wettbewerbers verglichen. Jeder Abwärts/Aufwärtswandler versorgt einen einzelnen 3,3-V-LDO mit einer Last von 500 mA.

Bild 5: Vergleich der Systemeffizienz (VBATT zu VOUT): Abwärts/Aufwärtswandler vs. Aufwärtswandler mit Bypass. Maxim

Bild 5 bildet das Ergebnis des Vergleichs ab. Durchgezogene Kurven zeigen die Effizienz und gestrichelte Kurven die Batteriestromaufnahme für jede Lösung. Die Effizienz des Abwärts/Aufwärtswandlers (über 93 Prozent im gesamten Betriebsbereich) ist der des Aufwärtswandlers mit Bypass (bis hinab zu 81 Prozent bei vollem Akku) weit überlegen. Diese Überlegenheit beruht auf der Fähigkeit des Abwärts/Aufwärtswandler-ICs, den LDO über den gesamten Betriebsbereich im Schaltmodus zu versorgen. Den Übergangspunkt von Abwärts- zu Aufwärtsbetrieb hebt die vertikale gepunktete Linie hervor.

In Bild 6 wird die Effizienz (von V_BATT auf V_CC) des MAX77816 mit einem ähnlichen Abwärts/Aufwärtswandler-IC verglichen. In diesem Fall ist V_CC = 3,3 V (anstatt V_CC = 3,4 V) und V_BATT = 3,3 V.

Die Testergebnisse zeigen, dass der MAX77816 den Abwärts/Aufwärtswandler des Wettbewerbs über den gesamten Strombereich von 1 mA bis 3 A übertrifft. Bis zu fünf Prozentpunkte beträgt der Effizienzvorteil. Den besten verfügbaren Abwärts/Aufwärtswandler zu verwenden, ist der erste Schritt zur Lösung des Effizienzproblems.

DVS für die Effizienz

Bild 6: MAX77816 vs. Wettbewerbs-Abwärts/Aufwärtswandler. Maxim

DVS (dynamische Spannungsskalierung, Dynamic Voltage Scaling) kann die Systemeffizienz weiter verbessern. Die Last des Abwärts/Aufwärtswandlers besteht normalerweise aus mehreren LDOs mit verschiedenen V_OUT. Unter Umständen sind diese LDOs nicht alle zur gleichen Zeit im Betrieb. Wenn der LDO mit dem höchsten V_OUT deaktiviert ist, kann das System die Ausgangsspannung des Abwärts/Aufwärtswandlers (V_CC) entsprechend der nächst höheren V_OUT reduzieren. Auf diese Art wird der Spannungsabfall effektiv reduziert und damit Energie gespart.

DVS mit direkter Hardwaresteuerung

Ist eine direkte Hardwaresteuerung gewünscht, kann eine zweistufige Auswahl der Ausgangsspannung mit einem dafür vorgesehenen DVS-Logik-Pin erreicht werden. MAX77816 unterstützt einen programmierbaren Universal-Pin, der als DVS-Eingang konfiguriert werden kann, um zwischen zwei voreingestellten/programmierbaren Werten umzuschalten. Die Standardwerte sind 3,4 und 5 V, können aber auf Anfrage angepasst werden. Für weitere Energieeinsparungen muss eine feinere Auswahl von Ausgangsspannungen eingebaut werden, was einen anderen Steuerungstyp erforderlich macht. Dies wird im nächsten Abschnitt diskutiert.

Auf der nächsten Seite werden die Vorteile eines über I²C gesteuerten DVS behandelt

Bild 7: Der I2C-Vorteil des MAX77816. Maxim

Der MAX77816 hat eine I²C-kompatible Schnittstelle, die für das Ein- und Ausschalten des Reglers, für das Einstellen der Ausgangsspannung und der Flankensteilheit sowie für weitere Funktionen genutzt wird. Mit I²C kann die Ausgangsspannung dynamisch angepasst werden, wodurch eine genauere Steuerung der Leistungsaufnahme des Systems ohne einen dafür vorgesehenen DVS-Eingangs-Pin möglich wird.

Die Kurven in Bild 7 beziehen sich auf einen Li-Akku-betriebenen Abwärts/Aufwärtswandler, der mit einem 32-mA-LDO mit 3 V Ausgangsspannung und einem zweiten 18-mA-LDO mit 2,85 V Ausgangsspannung belastet wird. Die abfallende, orangefarbene Kurve ist das Entladeprofil des Li-Akkus mit der typischen Systemabschaltung bei 3,4 V (der Akku wird selten komplett auf 2,8 V entleert). Die restlichen Kurven zeigen die Gesamterweiterung der Akkulaufzeit durch die Spannungsskalierung des MAX77816. Den Vorteil des Abwärts/Aufwärtswandler gegenüber einem Aufwärtswandler mit Bypass veranschaulicht die hellblaue Kurve. Die restlichen Kurven zeigen den Vorteil, wenn die Ausgangsspannung V_CC des Abwärts/Aufwärtswandler für 25 bis 75 Prozent der Zeit über I²C auf 3,15 V herabgesetzt wird. Von 45 bis 82 Minuten variiert die erweiterte Akkulaufzeit. Damit ist der zweite Schritt der Lösung klar: Der Einsatz von DVS über den I²C-Bus.

Zusammenfassung

Ein Vergleich des Abwärts/Aufwärtswandlers mit dem Aufwärtswandler mit Bypass veranschaulicht, dass der Abwärts/Aufwärtswandler im Prinzip die überlegene Architektur ist. Ein praktischer Vergleich der Abwärts/Aufwärtswandler-Lösung MAX77816 mit einer Aufwärtswandler-Lösung mit Bypass zeigt, dass der MAX77816 im Betrieb einen Effizienzvorteil von bis zu 13 % hat. Im Vergleich zu einer Abwärts/Aufwärtswandler-Lösung des Wettbewerbs ist der MAX77816 um bis zu sechs Effizienzpunkte überlegen. Diese Effizienz zusammen mit der Effizienzsteigerung durch DVS über einen I²C-Bus oder über einen dafür vorgesehenen DVS-Eingangs-Pin resultiert in einer Steigerung der Laufzeit eines akkubetriebenen Gerätes um bis zu 90 Minuten. Also ist ein Abwärts/Aufwärtswandler-IC mit DVS die ideale Lösung für stromsparende Anwendungen.

(ah)