In mobilen Geräten sind die optimierten Buck-Boost-Converter von Linear Technology ideal, um längere Batterielaufzeiten und eine Spannungsversorgung aus mehreren Quellen zu gewährleisten.

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Batterien und Spannungswandler in portablen Geräten Buck-Boost-Converter: höchste Effizienz bei minimalem Platzbedarf

15.02.2018

Viele portable Geräte werden von unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist und haben spezielle Anforderungen bezüglich des Verhältnisses von Eingangs- und Ausgangsspannung. Entsprechend herausfordernd war es lange Zeit für Systemdesigner, hocheffiziente und dennoch platzsparende DC/DC-Wandler für einen breiten Lastenbereich zu entwickeln. Bis die Buck-Boost-Converter von Linear Technology kamen ...

Batterien spielen in fast allen tragbaren Geräten eine Rolle, zum Beispiel in Mobiltelefonen und Notebooks, MP3-Playern, Handheld-DMMs und wissenschaftlichen Messgeräten. Es überrascht deshalb nicht, dass laut dem Beratungsunternehmen BCC Research der Weltmarkt für batteriebetriebene Produkte von 480 Milliarden US-Dollar im Jahr 2011 auf mehr als
611 Milliarden US-Dollar im Jahr 2016 wuchs. Ein Ende des Wachstums ist nicht absehbar. Der Markt lässt sich grob in folgende Segmente einteilen:

  • 30 Prozent für Kommunikationsprodukte,

  • 30 Prozent für Computer,

  • 20 Prozent für medizinische Produkte,

  • 20 Prozent für Kameras, Entertainment, Uhren, Beleuchtung, Navigation und militärische Produkte.

Lithiumbasierte Batterien dominieren das Geschehen – 2016 machten sie laut dem Beratungsunternehmen Frost & Sullivan weltweit rund 22,5 Milliarden US-Dollar aus. Mehr als die Hälfte von ihnen kommen in Nordamerika und China zum Einsatz. Die Nachfrage nach Lithium-Batterien wächst immer noch rasant, begünstigt durch das gesteigerte Konsumenteninteresse an Netzwerken, Automobilen und Speichern für erneuerbare Energien. Auch in militärische Anwendungen werden Lithium-Batterie häufig und gerne verwendet.

Die typische Entladekurve einer Li-
thium-Ionen-Batterie geht von 4,2 V im geladenen Zustand herunter auf 2,7 V bei völliger Entladung. Damit ist sie die erste Wahl für Smartphones oder MP3-Player. Aber sie eignet sich auch für tragbare wissenschaftliche Messgeräte, kabellose Werkzeuge und Geräte für die Gesundheitsvorsorge. Für all diese leistungshungrigen Geräte werden Mehrfachzellen für eine lange Laufzeit eingesetzt. Gemeint sind damit zwei bis vier Zellen in Serien- oder Parallelschaltung oder auch in einer Kombination von beidem. Damit ergibt sich ein Spannungsbereich von 10,8 bis 16,8 V bei 4 Lithiumzellen in Serie, beziehungsweise von 5,4 bis 8,4 V bei 2 Lithiumzellen in Serie.

Nicht geeignet: SEPIC-Wandler

Im nächsten Schritt muss die Batteriespannung auf eine gerätespezifische Spannung konvertiert werden. Eine der wichtigsten Anforderungen an DC/DC-Wandler ist eine große Leistungsdichte, die mit der zunehmenden Funktionsdichte der Elektronik Schritt hält. Aber auch die Leistungsaufnahme spielt eine wichtige Rolle, da moderne Elektrogeräte sehr effizient sein müssen und sich nicht zu stark erwärmen dürfen. Für Applikationen, deren Eingangsspannung über- oder unterhalb der geregelten Ausgangsspannung liegen kann, gestaltet sich die Suche nach einer effizienten Kompaktlösung als besonders schwierig. Konventionelle Designs, wie zum Beispiel SEPIC-Wandler, haben eine zu geringe Effizienz und sind zu groß für tragbare Geräte.

Ein gemeinsames Problem aller Schaltnetzteile ist deren instabiler Schaltverlauf. Manchmal ist die Fluktuation so stark, dass sie von den magnetischen Bauteilen ausgehend hörbar wird. Wenn die Ursache dafür mit dem Leiterplattenlayout zusammenhängt, ist guter Rat teuer. Deshalb ist ein sorgfältig geplantes Layout von größter Wichtigkeit. Im besten Fall kennt der Stromversorgungsdesigner alle technischen Details des Endprodukts und beteiligt sich von Anfang an am Layout der Leiterplatten. Ein gutes Layout optimiert die Effizienz, entschärft thermischen Stress und minimiert Interaktionen zwischen Leitungszügen und Komponenten. Dafür müssen aber die stromtragenden Pfade sowie der Signalfluss im Schaltnetzteil bekannt sein.

Entwärmen mit Mehrfach-Vias

In Designs, die keine externen Kühlkörper für SMT-Power-MOSFETs und Spulen vorsehen, muss es ausreichend Kupferfläche zur Wärmeabfuhr geben. Für DC-Spannungsknoten am Ein- und Ausgang oder an der Masse sollte diese Fläche so groß wie möglich sein. Zur weiteren Reduktion von thermischem Stress sind Mehrfach-Vias nützlich. Für Schaltknoten mit hohem dV/dt muss ein sinnvoller Kompromiss zwischen dem dV/dt-abhängigen Rauschen und einer guten Wärmeabfuhr für die MOSFETs gefunden werden.

Die Steuerschaltung sollte möglichst weit von der rauschenden Kupferfläche des Schaltbereichs entfernt sein. Es empfiehlt sich sie bei einem Buck-Converter in der Nähe von Vout+ und bei einem Boost-Converter in der Nähe von Vin+ zu platzieren, wo ständig ein Strom fließt. Wenn möglich sollte der Steuer-IC nicht zu nah bei den Power-MOSFETs und Spulen angebracht werden, da diese rauschen und sich erhitzen. Anderenfalls müssen die Steuerschaltung und die Leistungskomponenten mit Hilfe von Masseflächen gut voneinander isoliert werden.

Optimierte Buck-Boost-Converter

Die ideale Lösung für längere Batterielaufzeiten und eine Versorgung aus mehreren Quellen ist ein kompaktes, hocheffizientes DC/DC-Wandlersystem mit breitem Spannungsbereich, das alle notwendigen Power-MOSFETs in sich vereinigt. Buck-Boost-Converter, die genau das leisten, hat Analog Devices entwickelt.

Der LTC3119 des Unternehmens ist ein synchroner Buck-Boost-Converter mit Current-Mode-Regelung. Als Abwärtswandler liefert er aus einer Vielzahl von Eingangsquellen, beispielsweise Ein- und Mehrzellenbatterien, ungeregelte Steckernetzteile, Solarzellen und Supercaps, einen kontinuierlichen Ausgangsstrom von 5 A. Für gepulste Lasten kann er einen noch höheren Ausgangsstrom liefern. Der breite Eingangsspannungsbereich von 2,5 bis 18 V verändert sich nach dem Einschalten auf bis zu 250 mV nach unten. Die Ausgangsspannung lässt sich mit Eingangsspannungen regulieren, die über, unter oder gleich der Ausgangsspannung sind. Sie ist auf 0,8 bis 18 V programmierbar. Im vom Anwender einstellbaren Burst-Mode beträgt der Ruhestrom nur 31 μA und die Effizienz an leichten Lasten verbessert sich, was der Batterielaufzeit zugutekommt. Dank der proprietären 4-Schalter-PWM-Buck-Boost-Topologie im LTC3119 ist in allen Betriebsarten ein geringes Rauschen und jitterfreies Schalten gewährleistet. Damit eignet sich das Bauteil besonders für Präzisionsapplikationen, die empfindlich gegenüber Rauschen in der Stromversorgung sind. Der IC verfügt über eine programmierbare Maximum-Power-Point-Kontrolle (MPPC), die sicherstellt, dass die meiste Energie aus Stromquellen mit hoher Impedanz, einschließlich Solarzellen, stammt.

Um eine Effizienz von bis zu 95 Prozent zu erreichen, wurden im LTC3119 vier interne N-Kanal-MOSFETs mit geringem RDS(on) verbaut. Eine interne Phasenregelschleife (PLL, Phase-Locked Loop), die auf externe Frequenzen abgestimmt werden kann, arbeitet im breiten Taktfrequenzbereich von 400 kHz bis 2 MHz, wodurch ein sinnvolles Abwägen zwischen Effizienz und Größe der Lösung möglich ist. Weitere charakteristische Merkmale des LTC3119 sind ein Kurzschlussschutz, Schutz vor thermischer Überlastung, ein sehr geringer Stromfluss in abgeschaltetem Zustand und ein Power-Good-Indikator. Dank seines breiten Betriebsspannungsbereichs, kompakten Gehäuses und geringen Ruhestroms ist der Converter sehr gut für HF-Leistungsstromversorgungen, gepulste Lasten, Backup-Versorgungen und sogar für Bleibatterien in 12-V-Wandlersystemen geeignet.

Nahtlos geregelter Ausgang

Ein weiteres Mitglied der Buck-Boost-Produktfamilie von Analog Devices ist der LTC3118. Bei ihm handelt es sich um einen monolithischer Buck-Boost-Converter mit zwei Eingängen und integriertem Powerpath. Er liefert kontinuierlich bis zu 2 A, schaltet automatisch zur passendsten Eingangsquelle um und liefert dabei nahtlos einen geregelten Ausgang. Jeder Eingang kann von 2,2 bis 18 V arbeiten. Der Ausgang lässt sich für Spannungen von 2 bis 18 V programmieren, wodurch er für viele Anwendungen interessant ist. Der LTC3118 basiert auf einer rauscharmen Buck-Boost-Topologie mit Current-Mode-Regelung und einer festen Taktfrequenz von 1,2 MHz. Sein Design liefert einen kontinuierlichen jitterfreien Übergang zwischen Buck- und Boost-Mode. Dank der kleinen externen Komponenten und des kompakten QFN- oder TSSOP-28E-Gehäuses benötigt er außerdem nur sehr wenig Platz.

Für eine Effizienz von bis zu 94 Prozent beherbergt der LTC3118 an jedem Eingang vier interne N-Kanal-MOSFETs mit geringem RDS(on). Im Burst-Mode geht der Eingangsruhestrom auf 50 μA zurück. In rauschempfindlichen Applikationen kann der Burst-Mode abgeschaltet werden; der IC arbeitet dann rauscharm mit fester Frequenz und unabhängig vom Laststrom. Weitere Merkmale des LTC3118 sind Soft-Start, Kurzschlussschutz, Schutz vor Überspannung und thermischer Überlastung sowie eine Ausgangsabschaltung.

Bildergalerie

  • Die Beschaltung des LTC3119 verdeutlicht den hohen Integrationsgrad dieses Buck-Boost-Converters.

    Bild: Linear Technology

  • Der LTC3118 ist ein monolithischer Buck-Boost-Converter mit integriertem PowerPath und Zweifacheingang.

    Bild: Linear Technology

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