Power-Tipp SIMO: Mehrere Spannungen mit nur einer Spule erzeugen

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Schaltregler benötigen Spulen und die viel Platz. Deshalb werden sie in modernen Architekturen gleich mit integriert. Im Power-Tipp stellen wir die verschiedenen Möglichkeiten vor und erklären, wie der SIMO-Konverter funktioniert, der mit einer einzigen Spule auskommt.

Elektronische Schaltungen benötigen in den meisten Fällen verschiedene Versorgungsspannungen. Für diese muss eine passende Power-Management-Architektur entworfen werden. Typischerweise werden hierzu mehrere Spannungswandler nach dem Schaltreglerprinzip verwendet. Jeder dieser Schaltregler benötigt eine Spule.

Diese Architektur soll nur wenig Platz beanspruchen und wenig kosten. Daher wird gerne der Weg der Integration beschritten. Eine Integration der Schaltung funktioniert bei Schaltreglern und Linearreglern – bei geringen Leistungen – sehr gut. Es gibt eine große Auswahl an kombinierten, hoch integrierten Schaltregler-ICs, häufig auch PMIC (Power Management Integrated Circuit) genannt. Bild 1 zeigt einen solchen hoch integrierten DC/DC-Wandler, den ADP5014.

Um die Baugröße noch weiter zu reduzieren, können auch die Induktivitäten integriert werden. Eine solche Lösung ist in Bild 2 mit dem LTM4668 gezeigt. Der IC hat ebenfalls vier Kanäle und erfordert wenige externe Komponenten, da die üblicherweise recht großen Induktivitäten im Baustein integriert sind.

Die Familie der LTM-Module bietet eine hohe Leistungsdichte, ist auf eine hohe Störfestigkeit (EMV) hin optimiert und sehr robust. Im Vergleich zu einer Lösung mit externen Komponenten sind die Kosten allerdings höher.

Neben den beiden aufgezeigten Varianten gibt es noch eine dritte Lösung. Sie basiert auf dem in Bild 1 gezeigten Konzept, benötigt jedoch nur eine einzige Induktivität. Dieses Konzept nennt sich SIMO und steht für „Single Inductor Multiple Output“-Konverter. Hierbei wird die Spule als Energiespeicher, spezifisch als Stromspeicher, verwendet, wobei sich alle Kanäle diese eine Induktivität teilen.

Hierfür gibt es unterschiedliche Ausführungen. In Variante a wird zu einem Zeitpunkt x Energie in die Spule geladen, diese wird dann über die unterschiedlichen Kanäle teilweise wieder entladen. Bei Variante b wird die Induktivität für einen Kanal geladen und wieder komplett entladen um dann den leeren Energiespeicher an den nächsten Kanal zu übergeben um ihn zu laden und wieder zu entladen bis alle Kanäle versorgt sind.

Je nach Implementierung entstehen unterschiedliche Eigenschaften der Spannungsversorgung. Generell ist anzumerken, dass dieses Konzept besonders gut bei relativ kleinen Leistungen funktioniert. Bei kleinen Leistungen ist die Dimensionierung der intern verbauten MOSFETs sowie die Bauform der einen externen Induktivität optimal.

Die im MAX77655 integrierten Schalter, die eine Spule für alle Kanäle nutzen, ermöglichen es auch, eine zur Verfügung stehende Spannung nach oben oder nach unten zu wandeln. Die jeweilige Betriebsart wird durch geschicktes Ansteuern der integrierten MOSFETs möglich.

Mit einem SIMO-Konverter wie in Bild 3 gezeigt lassen sich mehrere Spannungen mit nur einer Speicherspule effizient erzeugen. Dies reduziert die Baugröße der Spannungsversorgungsarchitektur und führt zu geringeren Kosten.  (kr)

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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