Eckdaten

Die hier vorgestellte Schaltung ermöglicht die Verwendung des LTC3643 als Notstromversorgung für 3,3-V-Leitungen. Vorteilhaft am LTC3643 ist, dass er die Verwendung kostengünstiger Elektrolytkondensatoren als Energiespeicher gestattet und damit einfachere Notstromversorgungen möglich macht.

Designer nutzen häufig Batterien, Kondensatoren oder Superkondensatoren zum Vorhalten einer Energiemenge, die ausreichend ist, um kritische Verbraucher bei einem Stromausfall für eine bestimmte Zeitspanne weiter zu versorgen. Die Besonderheit des Power-Backup-Supply-Bausteins LTC3643 ist, dass er Designern die Verwendung kostengünstiger Elektrolytkondensatoren als relativ billige Energiespeicher erlaubt. In der nachfolgend beschriebenen Notstromversorgungs-Applikation lädt der LTC3643 einen Speicherkondensator auf eine Spannung von 40 V auf, solange die reguläre Stromversorgung intakt ist, während bei einer Unterbrechung der Stromversorgung ein kritischer Verbraucher aus diesem Kondensator gespeist wird. Die an den Verbraucher abgegebene Ausgangsspannung lässt sich dabei auf beliebige Werte zwischen 3 und 17 V programmieren.

Bild 1 a und b: Anordnung der Sperrdiode in der Notstromversorgungs-Schaltung.

Bild 1 a und b: Anordnung der Sperrdiode in der Notstromversorgungs-Schaltung. Analog Devices

Bild 2. Schaltbild einer verbesserten 3,3-V-Notstromversorgung auf Basis des LTC3643.

Bild 2. Schaltbild einer verbesserten 3,3-V-Notstromversorgung auf Basis des LTC3643. Analog Devices

Der LTC3643 ist ohne Schwierigkeiten in Backup-Lösungen für 5-V- und 12-V-Leitungen einsetzbar, doch eine Lösung für 3,3 V erfordert besondere Maßnahmen. Die Mindest-Betriebsspannung des LTC3643 beträgt nämlich 3 V und liegt damit recht nah an der nominellen Eingangsspannung von 3,3 V des Verbrauchers. Diese Differenz ist zu gering, um eine Sperrdiode zur Entkopplung der Notstromversorgung von unkritischen Schaltungen verwenden zu können, wie in Bild 1a gezeigt. Handelt es sich bei D1 um eine Schottkydiode, kann ihr Spannungsabfall in Durchlassrichtung je nach Laststrom und Temperatur bis zu 0,4 oder 0,5 V betragen. Dies reicht aus, um die Spannung am VIN-Anschluss des LTC3643 unter den Mindestwert von 3 V zu drücken. Dies aber hätte zur Folge, dass die Backup-Stromversorgung nicht anläuft.

Eine mögliche Lösung ist das Verlagern der Diode an den Eingang des speisenden Gleichspannungswandlers (D2 in Bild 1b). Leider kann es bei dieser Variante jedoch vorkommen, dass unkritische Schaltungen, die an den vorgelagerten Gleichspannungswandler angeschlossen sind, Leistung aus der Notstromversorgung ziehen, wodurch weniger Energie für die kritischen Verbraucher bleibt.

Funktionsweise der 3,3-V-Notstromversorgung

In Bild 2 ist eine 3,3-V-Notstromversorgung dargestellt, die die Energie mithilfe eines Sperr-MOSFETs ausschließlich für die kritischen Verbraucher reserviert. Die in Bild 1 gezeigte Sperrdiode wird in diesem Fall durch Q1, einen P-Kanal-MOSFET mit niedriger Gate-Schwellenspannung, ersetzt.

Entscheidend für die Funktion der Notstromversorgung in einem 3,3-V-System ist die zusätzlich eingefügte Serienschaltung aus RA und CA. Wenn die Eingangsspannung beim Anlaufen der Schaltung ansteigt, richtet sich der Strom im Kondensator CA hauptsächlich nach der Gleichung ICA = C × (dV/dt). Dieser Strom bewirkt wiederum an RA einen Spannungsabfall, der genügend hoch ist, um Q2, einen Kleinsignal-N-Kanal-MOSFET mit geringer Gate-Schwellenspannung, anzureichern. Sobald Q2 einschaltet, zieht er das Potenzial am Gate von Q1 auf Masse, wodurch ein sehr niederohmiger Weg zwischen der Eingangsspannung und den VIN-Pins des LTC3643 geschaffen wird. Wenn eine Spannung von 3,3 V an den Wandler gelegt wird, läuft dieser an und zieht das Potenzial am Gate von Q1 und am PFO-Pin herunter, woraufhin mit dem Aufladen des Speicherkondensators begonnen wird.

Sobald sich die 3,3-V-Leitung stabilisiert hat, sinkt ICA ab, bis der Spannungsabfall an RA unter die Gate-Schwellenspannung von Q2 sinkt, wodurch dieser MOSFET abschaltet und die Funktionsweise des Notstromversorgungs-Wandlers nicht weiter beeinflusst. Zusätzlich legt der PFO-Pin R3A an Masse, was die Power-Fail-Spannung des PFI-Pins auf den Mindestwert von 3 V zurücksetzt und damit sicherstellt, dass der Wandler in Betrieb bleibt, wenn die eingangsseitige Spannungsquelle abgeklemmt wird.

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