Stromsparender Buck/Boost-Wandler für IoT-Geräte

Kleine Geräte wie zum Beispiel Durchflussmesser, die lange mit ein und derselben Batterie auskommen müssen, werden häufig mit Lithium-Thionylchlorid-Batterien (LiSOCI2) bestückt, die anderen Batterietechnologien in Sachen Energiedichte und Kosteneffektivität überlegen sind. Ein Nachteil von LiSOCI2-Batterien darf indes nicht verschwiegen werden, nämlich ihre Empfindlichkeit gegen Lastspitzen. Hält man diese nicht von den LiSOCI2-Batterien fern, wird die nutzbare Batteriekapazität unweigerlich beeinträchtigt.

Grundsätzlich wäre es denkbar, ganz auf zusätzliche Elektronik zu verzichten und den Durchflussmesser direkt an die Batterie anzuschließen, um die gespeicherte Energie voll und ganz der eigentlichen Applikation zukommen zu lassen. Leider kann jedoch das komplexe Lastprofil des Messgeräts für die Batterielebensdauer aus dem soeben genannten Grund nachteilig sein.

Pufferschaltung für LiSOCI2-Batterien

Dieses Lastprofil gliedert sich im Wesentlichen in drei Bestandteile. Der Standby-Modus, in dem das Gerät die meiste Zeit verbringt, nimmt etwa 5 bis 100 µA auf, die hauptsächlich auf die Ruhestromaufnahmen der Messtechnik, des Mikrocontrollers und der Schutzschaltungen entfallen. Im Standby-Betrieb sollte die Ruhestromaufnahme eines zusätzlich eingesetzten DC/DC-Wandlers im Nanoampere-Bereich liegen, um die Effizienz zu verbessern. Als nächstes folgt eine mittlere Stufe mit einer Stromaufnahme von 2 bis 10 mA, die meist vom analogen Frontend der Empfängerstufe dominiert wird. Der meiste Strom wird im aktiven Modus aufgenommen – hauptsächlich resultierend aus dem Ansteuern des Ventils und dem analogen Frontend im Sendebetrieb. Hierfür sind zwischen 20 mA und mehreren hundert Milliampere zu veranschlagen. Würde man einen derart hohen Strom direkt aus der LiSOCI2-Batterie entnehmen, würde sich deren Kapazität entscheidend reduzieren. Tabelle 1 zeigt am Beispiel der Batterie Saft LS33600, wie sich die nominelle Kapazität von 17 Ah unter verschiedenen Last- und Temperaturbedingungen reduziert.

Zum Abfangen der Lastspitzen werden Hybrid-Layer Capacitors (HLCs) oder Electric Double-Layer Capacitors (EDLCs) eingesetzt. Die in diesen passiven Bauelementen gespeicherte Energiemenge hängt von der Batteriespannung ab, die mit fallender Temperatur geringer wird. Hierdurch reduziert sich zwangsläufig die Fähigkeit des HLC zw. EDLC zur Übernahme der Lastspitzen, weshalb der aus der Batterie entnommene Strom zwangsläufig zunimmt.

Genau an dieser Stelle kommt der Buck/Boost-Wandler TPS61094 von TI ins Spiel, denn er hält die Spannung am Superkondensator unabhängig von der Temperatur stabil. Der Baustein kommt bei Lastströmen zwischen 5 µA und 250 mA auf einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von über 90 Prozent (bei V_OUT = 3,3 V und V_IN > 1,5 V). Er begrenzt die Stromentnahme aus der Batterie nicht nur, wenn er beim Laden der Superkondensatoren im Buck-on-Modus arbeitet, sondern auch dann, wenn er zusammen mit der Batterie einen hohen Laststrom an den Ausgang abgibt.

Bild 1 zeigt die äußere Beschaltung des TPS61094 und Bild 2 gibt den Verlauf des Batteriestroms wieder, wenn dem Ausgang 2 Sekunden lang 200 mA entnommen werden. In Phase 1 mit hoher Belastung wird der Spitzenstrom auf 7 mA begrenzt. In Phase 2 im Anschluss an die Lastspitze lädt der Baustein den Superkondensator mit konstant 10 mA auf. Sobald der Superkondensator wieder auf 2,0 V aufgeladen ist, stellt der TPS61094 das Laden ein, verbleibt aber im Buck-on-Modus.

In Bild 3 sind zwei Pufferschaltungen zu sehen – einmal mit dem TPS61094 und einmal nur mit Superkondensatoren. Bei der TPS61094-Lösung ist die Superkondensator-Spannung auf 2,0 V eingestellt. Der TPS61094 kann hier Energie aus dem Superkondensator entnehmen, bis dessen Spannung auf 0,6 V abgesunken ist. Auf der Basis dieser Werte lässt sich die verfügbare Energie im Superkondensator wie folgt berechnen:

Hierin steht ŋ für den durchschnittlichen Wirkungsgrad des Wandlers.

Im ungünstigsten Fall (bei -40 °C) kommt der TPS61094 bei 150 mA und Eingangsspannungen von 2,0 bis 0,6 V auf einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 92 Prozent. Nach Einsetzen in Gleichung 1 ergibt sich:

Bei der Lösung ohne den TPS61094 verändert sich die verfügbare Energie mit der Batteriespannung. Bei einem Strom von 10 mA und -40 °C reduziert sich die Spannung der Batterie LS33600 auf 3 V. Die verfügbare Energie beträgt somit:

Die erste Lösung mit dem TPS61094 hält somit mehr als die doppelte Energiemenge bereit. Den angeschlossenen Verbrauchern kann damit mehr Energie zugeführt werden und die Ströme, die der Batterie unter extremen Bedingungen entnommen werden, reduzieren sich. Wenn beispielsweise bei 3,3 V ein Ventil angesteuert werden muss, das 200 mA aufnimmt, geht dies mit der reinen HLC/EDLC-Lösung 2,8 Sekunden lang, mit der Kombination aus TPS61094 und Superkondensator dagegen für eine Zeitspanne von 7,8 s (wenn der Puffer die Last allein versorgt).

Backup-Stromversorgung mit Superkondensatoren

Viele moderne Anwendungen, darunter auch IoT-Geräte (Internet of Things), werden mit Netzstrom versorgt und benötigen dementsprechend eine Hilfsstromversorgung, um sich bei einem Stromausfall geordnet herunterfahren oder einen letzten Funkspruch absetzen zu können. Ein Stromzähler etwa könnte Einzelheiten über Zeitpunkt, Ort und Dauer eines Stromausfalls kommunizieren. Insbesondere die Narrowband-IoT-Technik (NB-IoT) ist sehr beliebt, denn sie kann die bestehenden 2G-, 3G- und 4G-Bänder nutzen, wird in amerikanischen, europäischen und asiatischen Ländern unterstützt und ist verglichen mit der GPRS-Technik durch eine geringere Leistungsaufnahme und niedrigere Spitzenströme gekennzeichnet.

Eine gut entwickelte Hilfsstromversorgung hält die richtige Menge an Backup-Energie bereit, kann nahtlos zwischen Normal- und Backup-Betrieb umschalten und übersteht auch mehrere Stromausfälle ohne zwischenzeitlichen Wartungsbedarf. Mit dem Buck/Boost-Wandler TPS61094 und einem einzigen Superkondensator lässt sich eine einfache Backup-Stromversorgung für NB-IoT- und andere Funk-Lösungen implementieren.

Wieviel Strom eine typische NB-IoT-Lösung in den verschiedenen Betriebsarten aufnimmt, geht aus Tabelle 2 hervor.

In Bild 4 ist anhand der Konfiguration des Evaluierungsmoduls (EVM) zum TPS61094 zu sehen, wie sich mit einem einzigen Superkondensator und dem TPS61094 eine effektive Backup-Stromversorgung implementieren lässt, die ausreichend Backup-Energie für das in Tabelle 2 gezeigte Lastprofil bereithält.

Bei eingeschalteter System-Stromversorgung befindet sich der TPS61094 in der Betriebsart Buck_on. Dabei wird der Bypass-FET eingeschaltet und der Superkondensator mit konstant 500 mA aufgeladen. Der Ladevorgang endet, wenn am Superkondensator eine Spannung von 2,5 V liegt. V_SYS versorgt hier V_OUT direkt. Wenn V_SYS nun infolge eines Stromausfalls zurückgeht, wechselt der TPS61094 selbsttätig in die Betriebsart Boost_-on, wodurch der Bypass-FET abgeschaltet wird und V_OUT aus der im Superkondensator gespeicherten Energie versorgt wird.

Das Oszillogramm in Bild 5 gibt einen kompletten Backup-Zyklus wieder. V_IN ist die vom Netz bereitgestellte Systemspannung, V_OUT die Ausgangsspannung des TPS61094 und V_SUP die Superkondensator-Spannung. Bei I_OUT handelt es sich um den Laststrom, der hier mit 100 mA um den Faktor 3,33 größer ist als die durchschnittliche Stromaufnahme des Lastprofils. Der höhere Laststrom wurde hier gewählt, um zu ermitteln, wie der TPS61094 umschaltet, wenn die Netzversorgung unter extremeren Bedingungen ausfällt.

Bei einem plötzlichen Ausfall der Stromversorgung schaltet der TPS61094 sofort in den Boost-on-Modus um und hält V_OUT mithilfe der Energie aus dem Superkondensator aufrecht. Der Wandler kann den erforderlichen Ausgangsstrom für eine Dauer von 254,5 s liefern, was für 11,5-NB-IoT-Transaktionen reicht. Der Superkondensator wird vom TPS61094 bis zu einer Spannung von 0,7 V entladen. An diesem Punkt wechselt der Baustein in den Shutdown-Modus, bis V_IN wieder anliegt. Im Buck_-on-Modus lädt der TPS61094 den Superkondensator mit einem konstanten Strom. In Bild 5 ist deutlich zu sehen, wie reibungslos zwischen dem Entladen und dem Laden des Superkondensators umgeschaltet wird.

Weitere Implementierungsvarianten

Neben der soeben beschriebenen Lösung gibt es noch weitere Schaltungsvarianten, die ebenfalls ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben. Das Referenzdesign „Superkondensatoracitor Backup Power Supply for E-Meters Reference Design“ lädt den Superkondensator mit diskreten Schaltungen auf und setzt die Superkondensator-Spannung mithilfe des Boost-Wandlers TPS61022 auf eine höhere Spannung herauf, wenn das Netz ausfällt. Der TPS61022 eignet sich für höhere Ausgangsströme als die TPS61094-Lösung, erfordert aber mehr externe Bauelemente.

In einem weiteren Referenzdesign (Superkondensatoracitor Backup Power Supply with Current Limit and Active Cell Balancing Reference Design) dient der Buck/Boost-Wandler TPS63802 zum Laden des Superkondensators und als Spannungsregler, ohne dass zusätzlich diskrete Ladeschaltungen benötigt werden. Dennoch werden einige weitere externe Bauelemente für die Oder-Verknüpfung, zum Begrenzen des Ladestroms und zum Einstellen der Superkondensator-Klemmenspannung benötigt.

Eine Übersicht über die drei Lösungsvarianten bietet Tabelle 3.

Wie der vorliegende Artikel dargelegt hat, lassen sich mit dem Buck/Boost-Wandler TPS61094 attraktive Lösungen für die Stromversorgung von Verbrauchsmessern, IoT-Geräten und anderen Anwendungen realisieren, die von Batterien versorgt werden oder bei Netzversorgung für etwaige Stromausfälle gerüstet sein müssen. Bei Geräten mit LiSOCl2-Batterie sorgt der TPS61094 im Verbund mit einem Superkondensator dafür, dass Lastspitzen vom Superkondensator ferngehalten werden und nicht an die Batterie gelangen, deren nutzbare Kapazität sonst ernsthaft geschmälert würde. Im Fall netzversorgter Geräte lässt sich mit der Kombination aus TPS61094 und Superkondensator eine Hilfsstromversorgung realisieren, die ausreichend Kapazität bietet, um das Gerät bei einem Ausfall der Netzversorgung geordnet herunterzufahren oder den Stromausfall zu melden. (neu)