Bild: Md. Kamruzzaman

Stromversorgung & Leistungselektronik Kleine Wandler bewirken Großes

14.01.2014

Die zunehmende Verbreitung von drahtlosen Sensoren für das Internet der Dinge führt zu einem steigenden Bedarf an kleinen und effizienten Leistungswandlern, die sich insbesondere für netz­unabhängige Low-Power-Bausteine eignen. Die Wandlerbausteine LTC3129 und LTC3129-1 sind speziell für diese Anforderungen entwickelt worden.

Bei LTC3129 und LTC3129-1 handelt es sich um monolithische Auf-/Abwärtswandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,42 bis 15 V. Der LTC3129 bietet einen Ausgangsspannungsbereich zwischen 1,4 und 15,75 V, der LTC3129-1 hat hingegen acht über Pins wählbare feste Ausgangsspannungen im Bereich von 1,8 bis 15 V. Beide Bausteine können im Abwärtswandelmodus einen minimalen Ausgangsstrom von 200 mA liefern.

Sensoren mit sehr niedriger Verlustleistung können die Vorteile der Bausteine voll nutzen: „Null-Strom“ bei Deaktivierung (sowohl bei VIN als auch VOUT) und einen Ruhestrom von nur 1,3 µA an VIN, wenn der Strom sparende Betrieb im Burst-Modus gewählt wurde. Dadurch eignen sich die Bausteine ideal für µPower- und Energie erntende Applikationen, in denen ein hoher Wirkungsgrad bei extrem geringer Last von entscheidender Bedeutung ist. Ihre Auf-/Abwärts-Wandler-Architektur macht sie zudem gut geeignet für den Einsatz mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stromquellen.

Weitere Schlüsseleigenschaften der Bausteine sind eine feste Betriebsfrequenz von 1,2 MHz, Stromregelbetrieb, interne Schleifenkompensation, automatischer Betrieb im Burst-Modus oder im rauscharmen PWM-Modus, eine exakte Schaltschwelle am RUN-Pin, der es erlaubt, die UVLO-Schaltschwelle zu programmieren, ein „Power-good“-Ausgang und eine MPPC-Funktion (maximum power point control) zur Optimierung der Leistungsübertragung bei Betrieb mit Solarzellen.

Das QFN-Gehäuse mit 3 mm x 3 mm Kantenlänge und der hohe Integrationsgrad vereinfachen die Implementierung des 1/LTC3129-1 in Anwendungen mit eingeschränktem Platzangebot. Es sind nur wenige externe Komponenten und eine Spule nötig, um das Design der Stromversorgung zu vervollständigen.

Die Schaltung in Bild 1 nutzt die Fähigkeiten der Bausteine LTC3129 und LTC3129-1 voll aus, um mit Eingangsstromversorgungen von nur 7,5 µW anzulaufen und in Betrieb zu gehen – wodurch sie in der Lage sind, mit kleinen und preiswerten Solarzellen bei Raumbeleuchtung von unter 200 Lux zu arbeiten. Dies ermöglicht Anwendungen mit durch Raumbeleuchtung versorgten drahtlosen Sensoren, bei denen der DC/DC-Wandler auf Grund einer geringen Einschaltdauer im Betrieb eine extrem kleine durchschnittliche Leistungsanforderung aus einer sehr kleinen verfügbaren Leistungsquelle unterstützen muss und gleichzeitig so wenig Leistung wie möglich verbrauchen darf.

Um diesen Anlauf mit geringem Strom zu ermöglichen, ziehen die Bausteine nur knapp 2 µA an Strom (noch weniger im Shutdown-Modus), bis folgende drei Bedingungen erfüllt sind:

  • Der RUN-Pin muss 1,22 V (typisch) überschreiten,

  • der VIN-Pin muss 1,9 V (typisch) überschreiten und

  • VCC (die intern aus VIN generiert wird, aber auch extern angelegt werden kann) muss 2,25 V überschreiten

Bis alle diese drei Bedingungen erfüllt sind, bleibt das Bauteil in einem „Soft-Shutdown“- oder Standby-Zustand und zieht dabei nur 2 µA.

Dies erlaubt es einer schwachen Eingangsenergiequelle, den Speicherkondensator am Eingang zu laden, bis die Spannung hoch genug ist, um die drei genannten Bedingungen zu erfüllen. An diesem Punkt beginnen die Bausteine zu schalten und VOUT steigt in die Regelung. Die Energie wird dabei vom Eingangskondensator geliefert, der ausreichend Energie gespeichert hat. Die Ausgangsspannung, bei der der Baustein UVLO verlässt, kann mit dem externen Spannungsteiler am RUN-Pin beliebig zwischen 2,4 und 15 V eingestellt werden. Mit einem Strom am RUN-Pin von typisch unter 1 nA müssen Widerstände mit hohen Ohm-Werten verwendet werden, um den Strom, der von VIN gezogen wird, zu minimieren.

In der Anwendung, die in Bild 1 als Beispiel gezeigt ist, wird die in CIN gespeicherte Energie genutzt, um VOUT in die Regelung zu bringen, wenn der Wandler einmal gestartet ist. Wenn der Bedarf an durchschnittlicher Leistung an VOUT unter der Leistung liegt, die von der Solarzelle geliefert wird, bleiben die Bausteine LTC3129/LTC3129-1 im Burst-Modus-Betrieb und VOUT in der Regelung.

Wenn der Bedarf an durchschnittlicher Leistung die verfügbare Eingangsleistung übersteigt, fällt VIN solange ab, bis UVLO erreicht ist - der Punkt, an dem der Wandler wieder in den Soft-Shutdown-Zustand übergeht. An diesem Punkt beginnt VIN erneut zu laden, was es ermöglicht, den Zyklus zu wiederholen. In dieser Betriebsart „Hicap-Modus“ ist VIN mit Hysterese um den UVLO-Punkt positioniert, wobei die VIN-Restwelligkeit in diesem Beispiel rund 290 mV beträgt. Diese Restwelligkeit wird von der 100-mV-Hysterese am RUN-Pin eingestellt und mit dem Verhältnis des UVLO-Spannungsteilers verstärkt.

Um den Wirkungsgrad weiter zu steigern und ein unnötiges Laden von VOUT zu vermeiden, ziehen die Bausteine während des Soft-Starts oder zu einem beliebigen Zeitpunkt, wenn der Betrieb im Burst-Modus gewählt ist, überhaupt keinen Strom aus VOUT. Dies verhindert, dass der Wandler während des Soft-Starts entlädt und er deshalb die Ladung des Ausgangskondensators erhält. Tatsächlich wird überhaupt kein Strom aus VOUT gezogen, wenn der LTC3129 „schläft“. Im Falle des LTC3129-1 liegt der von VOUT gezogene Strom wegen der hohen Widerstandswerte des internen Rückkoppel-Spannungsteilers im Sub-µA-Bereich.

Reservebatterie hinzufügen

In vielen Applikationen mit einer Versorgung aus Solarzellen liefert eine Reservebatterie die nötige Leistung, wenn die Solarenergie nicht ausreicht. Bild 2 zeigt eine solche Anwendung, in der eine Lithium-Ionen-Primär-Knopfzelle und einige weitere externe Komponenten zum Wandler aus dem vorherigen Beispiel hinzugefügt wurden, um Reserveleistung in dem Fall an den Ausgang zu liefern, in dem die Lichtquelle nicht mehr in der Lage ist, die Leistung zu liefern, die nötigt ist, um VOUT aufrecht zu erhalten. In diesem Fall wird der LTC3129 verwendet, der es erlaubt, VOUT auf 3,2 V zu programmieren und damit die Spannung besser an die Spannung der Knopfzelle anzupassen.

In diesem Beispiel wird die Batterie auf der Ausgangsseite des Wandlers benutzt und der LTC3129 ist so eingestellt, dass er VOUT leicht erhöht über der Batteriespannung einregelt. Dies stellt sicher, dass keine Last an der Batterie liegt, wenn VOUT alleine von der Solarzelle versorgt werden kann. Im Falle, dass VOUT auf Grund nicht ausreichender Lichtstärke abfällt, geht der PGOOD-Ausgang des LTC3129 auf low und schaltet den Verbraucher vom Wandlerausgang auf die Batterie um, wodurch VOUT auf der Batteriespannung gehalten wird. Während dieser Zeitspanne können die Ein- und Ausgangskondensatoren des Wandlers erneut laden (sofern etwas Licht verfügbar ist), was es erlaubt, den Verbraucher über das PGOOD-Signal periodisch von der Batterie zurück an den Wandler zu schalten. Auf diese Weise wird die Last so weit wie möglich von der Solarzelle versorgt und die Batterie wird nur zeitlich eingeschränkt genutzt, was ihre Betriebsdauer verlängert.

Die Diode zwischen PGOOD und VCC wird verwendet, um PGOOD während des Einschaltens auf low zu halten, bevor VCC (und damit PGOOD) aktiv (gültig) werden.

Zusammenfassung

Die beiden monolithischen Auf-/Abwärts-DC/DC-Wandler LTC3129 und LTC3129-1 bieten hervorragende Low-Power-Eigenschaften und hohe Flexibilität bezüglich der verwendeten Energiequellen, wie sie heute von den drahtlosen Sensoren und portablen Elektronikgeräten im realen Einsatz gefordert werden. Der extrem niedrige Ruhestrom von nur 1,3 µA und der hohe Wirkungsgrad der Leistungswandlung kann die Lebensdauer einer Batterie, wenn sie zusammen mit der Energieernte eingesetzt wird, praktisch unendlich verlängern.

Bildergalerie

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel