Power-Tipp Aktuelle Entwicklungen im Bereich von Ultra Low Power

Um die Betriebszeit von netzspannungsunabhängigen ‚Internet of Things‘-Knoten zu erhöhen, gibt es drei Möglichkeiten. Erstaunliche Verbesserungen lassen sich dabei mit der hohen Wandlereffizienz moderner ULP-Spannungswandler erzielen.

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Ultra Low Power (ULP) ist ein Begriff, welcher Stromversorgungslösungen bezeichnet, die für Anwendungen bei teilweise sehr geringen Leistungen entwickelt wurden. Solche Anwendungen kommen generell aus dem Bereich von batteriebetriebenen Geräten. Seit einigen Jahren wird auch das Ernten von Energie (Energy Harvesting) in der Milliwatt- und der Mikrowatt-Domäne betrieben.

Bei sehr geringen Leistungen fallen Versorgungsströme für den Betrieb von sehr leistungseffizienten Schaltreglern verstärkt ins Gewicht. Hat man sich vor einigen Jahren noch mit einem Ruhestrom eines Schaltreglers von einigen hundert Mikroampere begnügt, ist heute ein Strombedarf im Bereich von wenigen Nanoampere möglich.

Mit Ruhestrombedarf ist der Strom gemeint, welcher zur Versorgung eines Schaltregler-ICs dauerhaft notwendig ist. Beim Betrieb eines Schaltreglers fällt neben dem reinen ‚Ruhestrom‘ auch noch ein Stromverbrauch zum Ansteuern der Schaltelemente an. Dieser steigt mit höherer Schaltfrequenz. Im Milliwatt- oder Mikrowatt-Bereich schalten DC/DC-Wandler jedoch mit relativ niedrigen Schaltfrequenzen.

Datenblätter von erhältlichen ULP Schaltregler-ICs geben diesen Ruhestromverbrauch getrennt bei unterschiedlichen Zuständen wie beispielsweise Temperaturbereichen an. So kann ein Entwickler sinnvoll abschätzen, mit welchem Stromverbrauch und somit welcher Gesamteffizienz eine Spannungswandlung betrieben werden kann.

Bild 1 zeigt einen neuen Abwärtswandler-IC, welcher für ULP-Anwendungen entwickelt wurde. Die Stromaufnahme liegt bei 180 nA, während die Ausgangsspannung stabilisiert ist.

Vor einigen Jahren galten Linearregler mit einer Stromaufnahme von 500 nA bereits als hervorragende Stromversorgungen für batteriebetriebene Anwendungen. Linearregler haben jedoch den Nachteil, dass die Wandlereffizienz bei höheren Spannungsunterschieden zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung sowie höheren Strömen sehr gering ist. Schaltregler sind in diesen Anwendungsfällen wesentlich effizienter.

Ein Versorgungsstrom von 180 nA wird mit der neuen Generation von ULP-Produkten dadurch erreicht, dass neben optimiertem IC-Schaltungsdesign auch ein Hysterese-Modus verwendet wird, um die Schaltverluste gering zu halten. Ebenfalls müssen Widerstandsteiler sehr hochohmig ausgelegt werden.

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