Power-Tipp Spannungsversorgung: Die Stellschrauben für eine maximale Energieeffizienz

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Es gibt verschiedene Maßnahmen, mit denen man die Lebensdauer eines batteriebetriebenen Gerätes verlängern bzw. die eingesetzte Batterie so klein wie möglich machen kann. Im Kern dreht es sich darum, das System so energieeffizient wie möglich zu machen. Der Power-Tipp zeigt, an welchen Stellschrauben man drehen muss.

Elektrische Schaltungen sollen möglichst energieeffizient arbeiten. Neben der Optimierung der Gesamtschaltung muss auch die Spannungsversorgung eine möglichst hohe Spannungswandlungseffizienz bieten. Die Stellschrauben für die Effizienzerhöhung sollen im Folgenden betrachtet werden.

Bild 1 zeigt ein am Körper tragbares Sensorsystem. Dabei handelt es sich um eine kompakte, batteriebetriebene Plattform, die verschiedene Vitalmessfunktionen wie den Sauerstoffgehalt im Blut, den Puls, die Atemfrequenz, die Impedanzkardiografie, die bioelektrische Impedanzanalyse sowie die Hauttemperatur bietet.

Um die Batterie für diese Anwendung so klein wie möglich zu machen, muss das Gerät sehr energieeffizient arbeiten. Hierfür gibt es verschiedene Optimierungsmöglichkeiten für die Spannungsversorgung.

Hohe Integration: Eine hohe Integration ist nicht nur für den Platzbedarf sinnvoll, sondern auch für die Effizienz der Spannungsversorgung. Bild 2 zeigt das Blockdiagramm des MAX20356, ein PMIC, welcher einen Batterieladeregler, drei getaktete abwärtswandelnde Spannungswandler, vier Linearregler, einen getakteten Buck-Boost-Wandler, eine Fuelgauge zum Feststellen der vorhandenen Batterieladung sowie umfangreiche Überwachungsfunktionen und Spannungsschaltungen beinhaltet.

Diese Funktionen könnten von unterschiedlichen integrierten Schaltungen bereitgestellt werden. Bei einem diskreten Aufbau wäre jedoch der Eigenenergieverbrauch sehr viel höher. Die Ursache dafür liegt darin, dass viele notwendige unterstützende Funktionen, wie eine Spannungsreferenz zur Regelung der Ausgangsspannung in einem PMIC nur einmal vorhanden sein müssen, jedoch von allen integrierten Schaltungsblöcken genutzt werden können.

Effiziente Spannungswandlung: Natürlich muss die Spannungswandlung so effizient wie möglich sein. Dies wird durch die üblichen Stellschrauben beim Spannungswandler optimiert: Schaltfrequenz, passive Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren, Modi wie Puls Skipping oder Burst Modus im Niedriglastbereich und optimierte Totzeit der internen Wandler-MOSFETs.

Niedriger Ruhestrom / Eigenstromaufnahme: Auch die Eigenstromaufnahme bzw. der benötigte Ruhestrom des PMIC muss sehr gering sein. Moderne Halbleiterprozesse und ein optimierter Schaltungsentwurf helfen dabei. Relevant ist ebenfalls der Stromfluss durch verschiedene Widerstandsteiler in der Schaltung. Durch eine Vergrößerung der Widerstandswerte fließt ein geringerer Biasstrom. Allerdings erhöht sich dadurch die Impedanz und es können sich dadurch Störungen leichter einkoppeln. Eine Impedanzerhöhung kann nur durch gründliche evaluation umgesetzt werden.

Schnelles Skalieren der Prozessor-Versorgungsspannung: Eine Möglichkeit, Energie in einem System zu reduzieren, bietet Dynamic Voltage Scaling (DVS). Ein Microcontroller benötigt bei höheren Rechenleistungen eine höhere Versorgungsspannung und bei niedrigerer oder Standby-Rechenleistung eine geringe Versorgungsspannung. Wenn der DC/DC-Wandler die Spannung ständig diesem Bedarf anpasst, lässt sich viel Verlustleistung einsparen. Durch ein sehr schnelles Agieren wird die Systemeffizienz entsprechend der spezifischen Anwendung stark erhöht.

Geringe Störungen der Spannungsversorgung: Zuletzt muss noch die Verknüpfung zwischen Energieeffizienz und Störungen aufgezeigt werden. Wenn ein Sensor von einem Spannungswandler versorgt wird, werden auch Störungen wie Spannungswelligkeit von der Spannungsversorgung an den Sensor übertragen. Manche Sensoren vertragen eine höhere Spannungswelligkeit und Störungen bei unterschiedlichen Frequenzen, wenn sie einen höheren Strom zur Verfügung haben.

Bei geringerem Stromfluss darf die Versorgungsleitung nur sehr geringe Störungen aufweisen, um die Qualität der Sensordaten zu sichern. Es gibt bei manchen Anwendungen also einen direkten Zusammenhang zwischen der Sauberkeit der Versorgungsspannung und dem Stromverbrauch des Systems. (kr)

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

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