Der ständige Kampf der Batterie gegen die Zeit.

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

Bild 2: LDO-Eingangsspannungen werden von einem Abwärts/Aufwärtswandler erzeugt.

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

Bild 3: Schaltplan eines Aufwärtswandlers mit Bypass.

Bild 2: Schaltplan eines Aufwärtswandlers mit Bypass. Maxim

Bild 4: Schaltplan eines Abwärts/Aufwärtswandlers.

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.

Eckdaten

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.

Normalerweise werden diese Versorgungsspannungen von LDOs (Linear Dropout Regulator) erzeugt, die sich durch niedriges Rauschen auszeichnen. Der Eingang der LDOs (VCC in Bild 1) muss auf einer etwas höheren Spannung liegen als die höchste LDO-Ausgangsspannung. Dadurch fällt VCC in die Mitte des Betriebsbereichs des Li-Akkus. Infolgedessen wird es nötig, einen Abwärts/Aufwärtswandler zu verwenden, der mit einer Eingangsspannung (VBATT) 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 (VBATT) und dem LDO-Eingang (VCC). Bild 2 zeigt die Architektur eines Aufwärtswandlers mit Bypass und seine Betriebstabelle.

Diese Architektur kann nur VBATT-Spannungen regeln, die unter der festgelegten Spannung VCC = 3,4 V liegen. Wenn VBATT > 3,4 V ist, stoppt der Aufwärtswandler die Regelung und der Bypass-Transistor schaltet sich ein. Dadurch wird der VBATT direkt mit VCC verbunden. Die meiste Zeit (VBATT > 3,4 V) gibt der Transistor beim Aufwärtswandler mit Bypass direkt an die LDOs weiter. Die LDOs müssen den hohen VBATT-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 VBATT > VCC ist, regelt der IC im Abwärtsbetrieb. Wird VBATT < VCC, geht er nahtlos in den Aufwärtsbetrieb über, und stellt sicher, dass der VCC-Ausgang stabil und störungsfrei bleibt. Der gesamte Spannungsbereich des Akkus wird von einem hocheffizienten Schaltregler abgedeckt.

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