Einfache Notstromversorgung für 3,3-V-Leitungen

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 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 V_IN-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 I_CA = 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 V_IN-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 I_CA 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.

Thema der nächsten Seite ist die Funktionsweise der Schaltung

Bild 3. Kurven beim Hochfahren der Stromversorgung. Analog Devices

Bild 4. Kurven bei einem Ausfall der Hauptstromversorgung. Analog Devices

Die Kurven in Bild 3 geben die Vorgänge beim Hochfahren der 3,3-V-Leitung wieder. Mit der Eingangsspannung steigt auch die Spannung am Gate von Q2, wodurch das Potenzial am Gate von Q1 heruntergezogen wird. Q1 bleibt angereichert, sodass die vollen 3,3 V unter Umgehung der Body-Diode von Q1 an den LTC3643 gelangen. Mit der Zeit fällt die Spannung am Gate von Q2 unter den Schwellenwert, wodurch Q2 abschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ist der LTC3643 jedoch vollständig angelaufen und hat die Kontrolle über das Gate von Q1 übernommen.

Deutlich wird hierbei die Vielseitigkeit des LTC3643 – insbesondere seine Fähigkeit zur Begrenzung des Ladestroms des Aufwärtswandlers, der zum Laden des Speicherkondensators dient. In Fällen, in denen der Gesamtstrom minimiert werden muss (zum Beispiel dann, wenn lange Leitungen Verwendung finden oder die Stromversorgung einen hohen Innenwiderstand hat), lässt sich der Boost-Strom auf einen relativ niedrigen Wert einstellen, damit der Ladestrom nur minimale Auswirkungen auf den Abfall der Eingangsspannung hat, was für 3,3-V-Versorgungen ganz besonders wichtig ist. In Bild 2 setzt der Widerstand RS mit einem Wert von 0,05 Ω einen Grenzwert von 0,5 A (10,5 A Laststrom) für den Ladestrom des Aufwärtswandlers (die maximal einstellbare Grenze beträgt 2 A). Der übrige Strom wird dem Verbraucher zugeführt.

Die Kurven in Bild 4 geben wieder, was bei einem Ausfall der 3,3-V-Versorgung passiert. Wenn die Eingangsspannung abfällt, bleibt die Spannung am Gate von Q2 unverändert nahe dem Massepotenzial, sodass Q2 abgeschaltet bleibt. Anders ist es mit der Spannung am Gate von Q1, die sprunghaft auf 3,3 V ansteigt. Q1 schaltet folglich ab, und seine Body-Diode fungiert als Sperrdiode und entkoppelt den Verbraucher vom Eingang. Zu diesem Zeitpunkt übernimmt die Notstromversorgung, und der LTC3643 liefert 3,3 V an den kritischen Verbraucher, indem er den Speicherkondensator entlädt.

(neu)