Boost-Wandler

Bild 3: Verlauf von Vin und Vout beim Einsetzen einer frischen Batterie. (Bild: Maxim)

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.

 

Lesen Sie auf der nächsten Seite: Flexible Hochfahr-Eigenschaften bieten und Lebensdauer kompakter Batterien verlängern. 

Flexible Hochfahr-Eigenschaften bieten

Boost-Wandler

Bild 2: Startup-Schaltung ohne Stromaufnahme im Aus-Zustand und der Möglichkeit zum Einschalten verschiedener Features. Maxim

Ein mechanischer einpoliger Schalter bietet eine einfache Möglichkeit, ein Gerät ein- und auszuschalten. Allerdings wissen Gerätehersteller auch, dass die Kunden bestimmte Vorlieben haben, wenn es um das Ein- und Ausschalten geht – viele bevorzugen zum Beispiel das Einschalten mit einem Drucktaster anstelle eines Schalters. Darüber hinaus haben die Hersteller oft den Wunsch, dass der Kunde durch unterschiedlich lange Betätigung eines Drucktasters verschiedene Features aktivieren kann.

Als konkretes Beispiel soll ein per BLE (Bluetooth Low Energy) kommunizierender Temperatursensor dienen. Zur Stromversorgung ist er mit einer Primärzelle ausgestattet, deren Spannung von einem Aufwärtswandler so hochgesetzt wird, dass damit das gesamte übrige System betrieben werden kann. Durch einmaliges Drücken der Taste lässt sich das System einschalten, und mit einem erneuten Druck schaltet man es wieder aus. Der Drucktaster kann den Aufwärtswandler von der Batterie trennen, sodass das System bei Nichtgebrauch keinerlei Strom aufnimmt.

Problematisch wird es bei einem ungewollten Einschalten, wenn der Benutzer den Drucktaster unabsichtlich betätigt oder berührt. Schon das kurze Prellen des mechanischen Drucktasters kann in diesem Fall dafür sorgen, dass der Aufwärtswandler die zentrale Steuerung des Systems – meist ein Mikrocontroller – aktiviert, woraufhin das gesamte System Strom aus der Batterie entnimmt. Um dieses Problem zu vermeiden, sehen Designer in der Regel vor, dass der Drucktaster zum Einschalten des Produkts längere Zeit, zum Beispiel drei Sekunden, betätigt werden muss.

Hierzu muss der Mikrocontroller so programmiert werden, dass er die wirkliche Einschaltbedingung erkennt und den Aufwärtswandler abschaltet, sollte es sich um einen versehentlichen Einschaltbefehl gehandelt haben. Gleiches lässt sich auf das Abschalten des Produkts anwenden: Der Mikrocontroller kann entweder das Abschalten veranlassen, wenn der Drucktaster drei Sekunden lang betätigt wurde und der Mikrocontroller bereits eingeschaltet ist, oder er kann auf eine Betätigung von völlig anderer Dauer reagieren.

Bei analogem Vorgehen lassen sich andere Betätigungsdauern nutzen, um weitere Features zu aktivieren, so zum Beispiel ein stromsparendes Auslesen der Temperatur anstelle einer fortlaufenden Ausgabe von Temperaturmessungen. Hier würde ein hartes Abschalten mit einem mechanischen Schalter zum Trennen der Batterie vom Aufwärtswandler nicht funktionieren. Die Startup-Schaltung in Bild 2 ermöglicht dagegen einen Aus-Zustand ohne jegliche Stromaufnahme und bietet zusätzlich die Flexibilität zur Aktivierung unterschiedlicher Features, indem derselbe Drucktaster unterschiedlich lange gedrückt wird.

Lebensdauer kompakter Batterien verlängern

Laut einer Studie von Gartner soll das Consumer-IoT von 2017 bis 2021 um jährlich durchschnittlich 33 Prozent wachsen. Aufgrund des Hypes um das IoT in den vergangenen fünf Jahren ist eine wachsende Zahl batteriebetriebener Consumer-Geräte entstanden, angefangen bei Home-Automation-Systemen bis zu Wearables unterschiedlicher Art. Die Designer all dieser batteriebetriebenen Produkte wünschen sich eine lange Batterielebensdauer. In vielen Fällen richtet sich die Größe des Endprodukts nach den Abmessungen der Batterie oder umgekehrt. Die Gerätehersteller nutzen jeden freien Platz im Produkt für die Energiequelle, um möglichst lange Laufzeiten zu erzielen. Ein Aufwärtswandler mit extrem geringer Ruhestromaufnahme kann also in solchen Designs sehr vorteilhaft sein.

Kleinere Produkte benötigen kompaktere Batterien. Ein Beispiel hierfür sind die kleinen Silberoxid-Batterien mit der geringen Kapazität von 16 mAh. Bei einer so winzigen Batterie benötigt man einen Aufwärtswandler mit einer passenden, im Nanoamperebereich liegenden Ruhestromaufnahme, um eine herausragende Batterielebensdauer zu erreichen. Kritisch ist die Stromaufnahme auch deshalb, weil die meisten dieser Produkte gelegentlich vom Sensor aktiviert werden und mithilfe drahtloser Protokolle mit einer Zentrale kommunizieren.

Nachfolgend sollen exemplarisch einige Eckdaten und Berechnungen für eine Silberoxid-Batterie und einen Nanopower-Aufwärtswandler des Typs MAX17222 mit einer Ruhestromaufnahme von 300 nA gezeigt werden:

•             Drei Jahre (26.280 Stunden) Lagerdauer mit einem Pull-up-Widerstand von 33 MΩ am EN-Eingang im True-Shutdown-Modus

•             Eine Selbstentladerate von 10 Prozent über drei Jahre ergibt 16 mAh – 4,8 mAh = 11,2 mAh Restkapazität nur durch die Selbstentladung. Die Stromaufnahme des Systems im Shutdown-Status beträgt außerdem 71 nA. 71 nA x 26.280 Stunden ergibt 1,86 mAh. Nach drei Jahren im True-Shutdown-Modus verbleiben demnach noch 9,34 mAh (11,2 mAh – 1,86 mAh = 9,34 mAh).

•             Welche Laufzeit erreicht das System im aktivierten Zustand? Wenn es alle 3997 ms einen Strom von 10 µA aufnimmt und 3 ms lang 5 mA aufnimmt, so beträgt der durchschnittliche Dauer-Laststrom (3997 ms/4000 ms) x 10 µA + (3 ms/4000 ms) x 5 mA = 13,75 µA.

•             Die gesamte durchschnittliche Dauer-Stromentnahme aus der Batterie beträgt (13,75 µA + 300 nA)/(eff x (1-D)), wobei 1-D = Vin/Vout. In einer Anwendung mit Vin = 2,4 V und Vout = 3,3 V sowie einer Umwandlungs-Effizienz (eff) von 90 Prozent ergibt sich eine durchschnittliche Dauer-Stromentnahme aus der Batterie von 57 µA. 9,34 mAh/57 µA = 163 Stunden. Dies entspricht einem Dauerbetrieb von sieben Tagen.

Ein Nanopower-Aufwärtswandler kann also mit einer Silberoxid-Batterie von 16 mAh eine dreijährige Lagerdauer und einen vierwöchigen Normalbetrieb ermöglichen. Mithilfe der Nanopower-Produkte lassen sich kleinste Batterien mit geringer Spannung und hohem Innenwiderstand (zum Beispiel Silberoxid- und Zink-Luft-Batterien sowie AA- und AAA-Zellen) in Produkten einsetzen, welche die Lebensdauer konventioneller Batterien bis an die Grenzen ausreizen.

 

Auf der nächsten Seite lesen Sie, wie sich die Häufigkeit von Feldausfällen verringern und Lagerhaltungskosten senken lassen.

Häufigkeit von Feldausfällen verringern

Boost-Wandler

Bild 3: Verlauf von Vin und Vout beim Einsetzen einer frischen Batterie. Maxim

Viele Systeme werden mit Sekundärzellen betrieben. Vor dem Anschließen der Batterie betragen die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung 0 V. Beim Anschließen einer frischen Batterie steigt die Eingangsspannung sofort auf die Batteriespannung an, und an der anderen Seite der Induktivität (LX) entsteht eine Spannung, die bis auf das Doppelte der Batteriespannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Freilaufdiode hochschnellen kann. Bei einer 4,2-V-Batterie ist also eine Spannung von bis zu 7 V möglich, die den zwischen LX und GND liegenden NMOS-FET beschädigen kann (Bild 3).

VLX(max) = 2 x (VBAT – 0,7 V) = 2 x (4,2 V – 0,7 V) = 7 V

Ein Aufwärtswandler mit True-Shutdown- und Softstart-Funktion (beispielsweise der MAX17222) lässt es erst gar nicht so weit kommen. Wenn bei diesem Gleichspannungswandler die Batterie angeschlossen wird, verhindert der Trennschalter für die Freilaufdiode das Hochschnellen der Ausgangsspannung. Erst wenn der Boost-Regler einschaltet, wird der Diode ein sanftes Anlaufen erlaubt, wodurch die Ausgangsspannung auf VIN abzüglich eines Dioden-Spannungsabfalls ansteigt. Ist der Softstart des Schalters beendet, arbeitet der Boost-Regler im Softstart weiter und lässt die Spannung am OUT-Pin weiter ansteigen, bis die Regelung einsetzt. Dem Ausgang wird also hinreichend Zeit zum Regeln auf die eingestellte Ausgangsspannung gegeben, ohne dass die Stromversorgung selbst oder gar das übrige System beschädigt wird.

Lagerhaltungskosten senken

Boost-Wandler

Bild 4: Schema der RSEL-Implementierung. Maxim

Um für verschiedene Spannungen in einem System nur ein Bauteil bevorraten zu müssen, ist oftmals ein Widerstandsteiler vorgesehen, der die notwendige Ausgangsspannung einstellt. Durch die benötigten zwei Widerstände fließt immer ein Strom – unabhängig davon, ob das System aktiv ist oder sich im Shutdown- oder Standby-Modus befindet. Die Besonderheit des Nanopower-Aufwärtswandlers MAX17222 besteht in der Festlegung der Ausgangsspannung mit einem einzigen Widerstand (RSEL), wie es in Bild 4 gezeigt ist.

Beim Einschalten nimmt der Baustein bis zu 200 µA auf, um den Widerstandswert einzulesen. Dieser Vorgang dauert in der Regel nur 600 µs. Ist der Wert einmal registriert, zieht der SEL-Pin während des gesamten Betriebs keinen Strom mehr, sodass die Stromentnahme aus der Batterie weiter eingegrenzt wird. Diese RSEL-Methode bietet viele Vorteile, wie etwa geringere Kosten und weniger Platzbedarf, da anstelle der sonst benötigten zwei Widerstände ein einziger ausreicht. Kunden, die den MAX17222 einsetzen, müssen deshalb nur noch ein einziges Bauteil bevorraten, das sich in unterschiedlichen Entwicklungen mit verschiedenen Spannungen einsetzen lässt. Das einzige, was gewechselt werden muss, ist ein einzelner 1-Prozent-Widerstand. Der zusätzliche Vorteil für extrem stromsparende, batteriebetriebene Produkte ist, dass mit RSEL der fortlaufende Stromfluss in den Feedback-Widerständen vermieden wird.

Eck-DATEN

Mit einer sehr niedrigen Eigenstromaufnahme von gerade einmal 300 nA ermöglicht der Nanopower-Boost-Wandler MAX17222 von Maxim eine besonders lange Batterielaufzeit in Wearable- und IoT-Designs. Im True-Shutdown-Modus verhindert seine minimale Stromaufnahme von 0,5 nA eine Entladung der Batterie und verlängert damit effektiv ihre Laufzeit – ohne den Einsatz externer Trennschalter. Mithilfe dieses sehr kompakten Aufwärtswandlers lässt sich die Größe tragbarer Gadgets um bis zu 50 Prozent verringern.

Meng He

(Bild: Maxim)
Executive Business Manager, Core Products Group bei Maxim Integrated

(ku)

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