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Bild 1: Beispiel eines Energieflussdiagramms für ein Hearable-Design. (Bild: Maxim Integrated)

Eckdaten

Die Verlängerung der Batterielaufzeit stellt für Hearables und Wearables eine Herausforderung dar. Ein auf der Simo-Architektur (Single Inductor, Multiple Output) basierender Schaltregler, bietet eine gute Lösung, da er auf einen kleinen Ruhestrom optimiert ist. In ihrem Artikel betrachten die Autoren die Simo-Architektur genauer und erklären, warum sie für diese Anforderungen von Vorteil ist.

Bei der Entwicklung von Hearables und Wearables gehört eine lange Batterielaufzeit zu den Schlüsselanforderungen. Wenn der Anwender zum Beispiel einen langen Strandspaziergang macht, möchte er keine Unterbrechung zum Aufladen der Batterien der Kopfhörer. Ein anderes Beispiel wäre die Entwicklung von medizinischen Pflastern: Diese könnten für lange Zeit in einem Lagerraum liegen, bevor sie eingesetzt werden. Die Batterie sollte nicht leer sein, bevor das Pflaster in Patientenhand gelangt.

Die Verlängerung der Batterielaufzeit stellt insbesondere bei sehr kleinen elektronischen Geräten eine Herausforderung dar. Die Gerätegröße setzt der Batteriekapazität Grenzen. Vom Powermanagement-Standpunkt aus gesehen gibt es eine gute Lösung für diese Art von Produkten: Ein auf der Simo-Architektur (Single Inductor, Multiple Output) basierender Schaltregler, der auf einen kleinen Ruhestrom optimiert ist.

Niedrige Effizienz in typischen Power-Management-Architekturen

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Bild 1: Beispiel eines Energieflussdiagramms für ein Hearable-Design. Maxim Integrated

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Tabelle 1: Vergleich der Simo-Architektur mit einer konventionellen Powermanagement-Lösung. Maxim Integrated

In einem typischen Powermanagement-System für ein Hearable-Gerät gibt es ein Powermanagement-IC (PMIC), das einen Batterielader, einen Abwärtswandler und einen Low-Dropout-Linearregler (LDO) nutzt, um die Sensoren zu versorgen. Ein doppelter LDO versorgt Mikrocontroller, Bluetooth und Audio (Bild 1). Außerdem werden noch einige externe passive Bauteile benötigt. Da in dieser Architektur LDOs für drei Stromschienen verwendet werden, liegt die Gesamteffizienz einer solchen typischen Umsetzung nur bei 69,5 Prozent (Tabelle 1).

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Wie erreicht man eine bessere Effizienz? Hier liegt die Stärke der Simo-Architektur. Betrachten wir die Arbeitsweise dieser Architektur am Beispiel eines Simo-Abwärts-/Aufwärtsreglers. In einer konventionellen Architektur, die Schaltregler statt LDOs nutzt, um die Effizienz zu verbessern, müsste jeder Schaltregler eine eigene Induktivität für jeden Ausgang haben. Jede Spannungsschiene würde also von ihrer eigenen Induktivität versorgt. Induktivitäten sind typischerweise groß und teuer, da ihre Größe die benötigte Strombelastbarkeit (angegeben mit Isat, dem Gesamtsättigungsstrom) widerspiegelt. Also sind viele Induktivitäten ungünstig für besonders kleine elektronische Geräte. Eine kompaktere Möglichkeit würde Linearregler verwenden, doch sie haben hohe Verluste. Dagegen reduziert eine Simo-Architektur die Zahl der benötigten Induktivitäten und bietet dabei dennoch die erwartete Effizienz von Schaltreglern. Darüber hinaus reduziert ein Simo die Gesamtfläche gegenüber einer Lösung mit mehreren Induktivitäten, da die Zahl der Induktivitäten minimiert wird.

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Bild 2: Beispiel eines traditionellen Power-Baumdiagramms einer weitestgehend auf LDOs basierenden Lösung. Maxim Integrated

Bild 3 zeigt ein Schaltbild neuer Simo-Abwärts-/Aufwärtsregler. Zu erkennen sind in dieser Architektur drei unabhängig programmierbare Stromschienen aus einer einzelnen Induktivität. Dieser Ansatz reduziert die Bauteilanzahl, maximiert den verfügbaren Platz auf der Leiterplatte und bietet hohe Effizienz. Reine Simo-Abwärtswandler-Architekturen sind möglich, aber wenn die Ausgangsspannung sich der Batteriespannung nähert, würde der Simo-Abwärtswandler die Induktivität für zu lange Zeit beanspruchen und damit andere Kanäle beeinflussen. Die Abwärts-/Aufwärtswandler-Architektur nutzt die Induktivität effizienter, da sie weniger Zeit braucht, um jeden Kanal zu versorgen. Auch sind Lösungen, die wenigstens eine Aufwärtswandlung benötigen, mit einem Abwärts-/Aufwärts-Simo fast immer besser.

Wie nutzt ein Simo eine einzelne Induktivität und erreicht trotzdem auf jedem Ausgang eine hohe Effizienz? Im Prinzip handelt es sich immer noch um eine Schaltregler-Architektur, die eine Induktivität nutzt. Sie erhält die niedrigen Verluste eines konventionellen induktiven Schaltwandlers, indem die Schalter bei fast 0 V über dem Gerät eingeschaltet werden. Das hält die Verlustleistung niedrig. Beim Simo liegt der zusätzliche Vorteil darin, dass sich alle Ausgänge (SBB0, SBB1 und SBB2 in Bild 3) die Zeit an der Induktivität teilen. Dabei nutzen sie Schalter mit niedrigen Verlusten und erreichen so dieselbe hohe Effizienz, die von Abwärts-/Aufwärtswandlern zu erwarten wäre.

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Bild 3: Schaltbild einer Simo-Architektur. Maxim Integrated

Bild 4 stellt ein Beispiel eines Hybrid-Power-Baumdiagramms für das System aus Bild 2 dar, das mit einem Simo und einem LDO mit weniger Verlusten (durch einen niedrigeren

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Bild 4: Beispiel eines Power-Baumdiagramms mit einem Hybrid aus LDOs und einem Simo. Maxim Integrated

Spannungsabfall über dem LDO) angepasst wurde.

Nächste Seite: Weniger Kompromisse bei der Entwicklung von Hearables

Hearables unterscheiden sich von Standard-Bluetooth-Kopfhörern auf mehrere Arten. Zum Beispiel enthalten Hearables einen oder mehrere MEMS-Sensoren (optische oder Inertial-Sensoren). Mit Photoplethysmographie kann ein integrierter optischer Sensor die Sauerstoffsättigung im Blut, die Pulsfrequenz oder Vitalparameter messen. Ausgehend vom typischen Spannungsbereich von Lithium-Ionen-Akkus, brauchen LEDs tatsächlich einen höheren Spannungsbereich (4 bis 5 V), um genug Lichtintensität zu erzeugen. Das stellt Entwickler vor eine harte Entscheidung:

  • Einen Abwärts-/Aufwärtswandlers zum System hinzufügen: Dann wird auch ein zusätzlicher IC nötig.
  • Eine weitere Induktivität und mehrere Kondensatoren hinzufügen: Das verlangt nach mehr Leiterplattenfläche und Volumen.
  • Eine höhere Verlustleistung in Kauf nehmen: Das ist in kleinen Systemen nicht wünschenswert.

Die Simo-Abwärts-/Aufwärtswandler-Architektur bietet eine Möglichkeit, ohne unangenehme Kompromisse eingehen zu müssen. Die Architektur kann einen ihrer Ausgänge auf die gewünschte Spannung (bis zu 5,2 V) setzen, um die LED zu speisen und auch die Sensorleistung zu optimieren.

Der Sättigungsstrom einer Induktivität ist eine Funktion des Volumens ihres Kerns. Auf den ersten Blick sieht es vielleicht so aus, als würde ein Simo gegenüber einzelnen Abwärtswandlern keinen Vorteil bieten. Doch im Vergleich zu einzelnen DC/DC-Wandlern bietet eine einzelne Induktivität in einer Simo-Architektur wesentliche Vorteile:

  • Bessere Ausnutzung der Z-Höhe (wenn vom System zugelassen).
  • Niedrigere Kosten, da nicht so viele Induktivitäten gewickelt/gebaut/gelagert werden müssen.
  • Zeitmultiplex: Oft werden verschiedene Funktionen nicht zur selben Zeit genutzt. Wenn also ein System aus ist und ein anderes an, können sie den benötigten Sättigungsstrom teilen, wenn sie die Induktivität teilen. Dieser Ansatz ist für Ereignisse nützlich, die nacheinander passieren und verschiedene Stromschienen verwenden. Ein Beispiel ist ein Bluetooth-System, in dem die Daten heruntergeladen werden können, bevor eine Funktion aktiviert wird.
  • RMS-Nennstrom von Induktivitäten: Auch wenn die Kanäle nicht zeitmultiplext sind, treten die Spitzenleistungen verschiedener Funktionen oft nicht gleichzeitig auf, sodass der benötigte Gesamtsättigungsstrom der Induktivität niedriger wird.
  • Abstände zwischen den Induktivitäten entfallen.

Tabelle 1 stellt die Vorteile der Simo-Architektur gegenüber einer konventionellen Powermanagement-Lösung dar.

Nachteile der Simo-Architektur – und wie man sie handhabt

Die Simo-Architektur hat auch Nachteile, aber mit sorgfältiger Entwicklung können sie bewältigt werden. Ein Faktor sind Brummspannungen. Wenn eine einzelne Induktivität mehrere Energieportionen bereitstellen kann, werden die Brummspannungen oft höher sein. Größere Kondensatoren an den Ausgängen können helfen, die Brummspannungen auszugleichen. Im Vergleich zu konventionellen Architekturen können Simo-Konfigurationen auch mehr Übersprechen aufweisen.

Ein Beispiel für eine Simo-Lösung, die diese Nachteile adressiert, ist Maxims MAX77650. Der PMIC enthält einen Micropower Simo-Abwärts-/Aufwärts-DC/DC-Wandler mit drei Schaltreglern und einer einzelnen Induktivität. Durch den Hochfrequenzbetrieb kann der PMIC eine kleine Induktivität nutzen, was weiteren Leiterplattenplatz einspart. In einem einzigen Chip (2,75 mm × 2,15 mm × 0,7 mm WLP) integriert der MAX77650 einen Batterielader und die Steuerung für den Betrieb des Sensors (3,3 V), des Mikrocontrollers (1,2 V) und für Bluetooth und Audio (1,85 V). Im Standby-Modus zieht das Bauteil nur 300 nA und im aktiven Modus 5,6 µA. Die Gesamtsystemeffizienz beträgt 78,4 Prozent bei der Konfiguration aus Tabelle 1. Ein integrierter LDO im PMIC bietet eine Störspannungsunterdrückung für rauschempfindliche Anwendungen wie zum Beispiel Audio. Optionale Widerstände (24 Ω) in Serie mit der Serial Data Line (SDA) und der Serial Clock Line (SCL) minimieren das Übersprechen und Unterschwingungen auf den Bus-Leitungen. Gleichzeitig schützen sie Geräteeingänge vor Hochspannungs-Spikes auf den Bus-Leitungen. Um die Batterielebensdauer der Endanwendung weiter zu verlängern, hat jeder Block in den Reglern niedrige Ruheströme (1 µA pro Ausgang). Der PMIC arbeitet immer im diskontinuierlichen Strommodus (DCM, discontinuous conduction mode). Das bedeutet, dass der Strom durch die Induktivität am Ende jedes Zyklus auf null geht, was das Übersprechen weiter reduziert und Oszillationen verhindert.

Der Wandler dieser Architektur hat ein Simo-Kontrollschema mit einem proprietären Controller, der sicherstellt, dass alle Ausgänge pünktlich bedient werden. Die Zustandsmaschine bleibt in einem stromsparenden Ruhezustand, wenn kein Regler bedient werden muss. Wenn der Controller erkennt, dass ein Regler bedient werden muss, lädt er die Induktivität, bis die Spitzenstromgrenze erreicht ist. Dann entlädt sich die Energie der Induktivität in den entsprechenden Ausgang bis der Strom null erreicht. Müssen mehrere Ausgangskanäle zur gleichen Zeit bedient werden, stellt der Controller sicher, dass kein Ausgang alle Schaltzyklen nutzt. Stattdessen überlappen sich die Zyklen aller Ausgänge, die bedient werden müssen. Die Ausgänge, die nicht bedient werden müssen, werden übersprungen. Eine eingebaute Softstart-Funktion begrenzt die Anstiegsrate der Ausgangsspannungen während dem Starten. Jeder Simo-Abwärts-/Aufwärtswandler-Kanal bietet eine aktive Entladungsfunktion, die automatisch für jeden Simo-Kanal unabhängig auf dem Simo-Reglerstatus basierend aktiviert wird. Dieser Ansatz sorgt für komplettes und rechtzeitiges Ausschalten von System-Peripheriegeräten.

Cary Delano

Technik-Experte, Produktdefinition bei Maxim Integrated

Dr. Nazzareno (Reno) Rossetti

Experte für Analogtechnik und Powermanagement, Maxim Integrated

(ah)

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