Analogtipp Ruhestrom: Nano-IQ-Lösungen für Heimautomation und Auto (Teil 2)

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Der Ruhestrom ist besonders bei batteriebetriebenen Geräten wichtig. Ein geringer Ruhestrom sorgt für eine längere Batterielebensdauer. Andererseits ist für spezielle Funktionen eines ICs wie Wake up eine untere Grenze gegeben. Im Analogtipp werden verschiedene Entwurfsmechanismen vorgestellt, um dies Herausforderung zu lösen.

Der Ruhestrom (engl. Quiescent Current, I_Q) integrierter Schaltungen sollte speziell in batteriebetriebenen Systemen so gering wie möglich sein, um die Ladeintervalle von Akkus oder die Lebensdauer herkömmlicher Batterien zu verlängern. Dies kommt in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Tragen. Ein Beispiel ist der Bereich Home Automation, wo unter anderem drahtlose Video-Sprechanlagen an der Eingangstür immer beliebter werden. Die meist sehr kleine Batterie muss hier das Drücken des Klingelknopfs registrieren und die Funkkommunikation unterstützen. Für diese Anwendung geeignet sind die Buck-Ladebausteine BQ25622 und BQ25638, denn ihr 1,5 µA betragender I_Q-Werts geht im Shutdown-Modus auf 100 nA zurück.

Noch weiter absenken lässt sich I_Q, indem das System beispielsweise für den Versand vollständig von der Batterie getrennt wird. Hierfür sind die beiden Bausteine mit einem integrierten, bidirektional sperrenden FET (Q4 in Bild 1) ausgestattet. Nützlich ist dieser so genannte Ship Mode (Versandmodus) auch dann, wenn die Batterie nahezu erschöpft ist oder das betreffende Gerät aus anderen Gründen außer Betrieb gesetzt werden soll.

Ein Anwendungsbeispiel für den Lade-IC BQ25171-Q1 ist das Kfz-Notrufsystem eCall, mit dem inzwischen alle Neuwagen in der EU ausgestattet sein müssen. Es enthält eine eigene Batterie, die unabhängig von der Fahrzeugbatterie genügend Energie bevorratet, um ein 15-minütiges Telefongespräch zu führen und weitere 60 Minuten im Mobilfunknetz eingebucht zu bleiben. Der Lade-IC ist während der Fahrt dafür zuständig, die eCall-Batterie aufzuladen. Wird das Fahrzeug dagegen geparkt, wechselt der Baustein in den Sleep-Modus mit einer Stromaufnahme von 350 nA. Auch die in Autos verbauten Spannungswächter müssen minimale I_Q-Werts aufweisen, damit das von den Automobilherstellern vorgegebene maximale Strombudget von 100 µA bei stehendem Fahrzeug nicht überschritten wird. Trotz des minimierten I_Q-Werts dürfen an der Reaktionsgeschwindigkeit des Spannungswächters bei Auftreten eines Fehlers keine Abstriche gemacht werden. Hier sind Werte unter 10 µs gefragt. Die von Spannungswächtern benötigten Spannungsteiler werden deshalb im besten Fall in den Chip integriert, wie im Fall des Window Supervisors TPS37-Q1. Die I_Q-Absenkung wird hier erreicht, indem die Spannungsreferenz nur in bestimmten Intervallen aktiviert und der Referenzwert in einem Kondensator gespeichert wird. Bausteine wie der TPS37-Q1 müssen in solchen Anwendungen mit einem Spannungsbereich zurechtkommen, der von der hohen Eingangsspannung bis zu intern herabgeregelten Spannungen reicht.

Analogtipp

Nano-IQ-Schaltungen für das Batteriemanagement (Teil 1)

In batteriebetriebenen Systemen wie etwa Verbrauchsmessern, Rauchmeldern oder Hörgeräten bleiben eine oder zwei Versorgungsspannungen stets aktiv, um den System-Mikrocontroller, einen wichtigen Sensor oder einen Kommunikationsbus zu speisen. Zur Verlängerung der Akkulaufzeit kommt es gerade bei diesen Always-on-Spannungen auf hohe Effizienz und einen niedrigen I_Q-Werts an. Der für Lastströme von 50 µA bis 300 mA optimierte Buck-Wandler TPS62843 nimmt deshalb im Betrieb 275 nA und im Shutdown-Status 4 nA auf. Die Eingangsstrombegrenzung des Buck-Boost-Wandlers TPS63901 und des Boost-Wandlers TPS61299 schützt die Batterie vor zu hohen Stromspitzen, und die dynamische Spannungsskalierungs-Funktion des TPS63901 gestattet bei laufendem Betrieb ein Umschalten zwischen zwei Ausgangsspannungen, sodass im Standby-Modus durch den Wechsel auf eine niedrigere Systemspannung Strom gespart werden kann. Wie Bild 2 illustriert, wird die Ausgangsspannung bei diesen DC/DC-Wandlern von einer Resistor-to-Digital-Schaltung (R2D) festgelegt, um Leckströme in den Feedback-Widerständen zu vermeiden, die Lösungsabmessungen zu reduzieren und die Entwicklungskosten zu senken. (kr)

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