Mit Superkondensator-Ladefunktion Buck/Boost-Wandler mit extrem niedriger Ruhestromaufnahme

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Der bidirektionale Buck/Boost-Wandler TPS61094 mit einer extrem geringen Ruhestromaufnahme von nur 60 nA ermöglicht bis zu 20 Prozent mehr Batterielebensdauer.

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Das Evaluierungsmodul TPS61094EVM-066: mit dem bidirektionalen Buck/Boost-Wandler TPS61094, dessen extrem niedrige Ruhestromaufnahme von 60 nA bis zu 20 Prozent mehr Batterielebensdauer ermöglicht.
Das Evaluierungsmodul TPS61094EVM-066: mit dem bidirektionalen Buck/Boost-Wandler TPS61094, dessen extrem niedrige Ruhestromaufnahme von 60 nA bis zu 20 Prozent mehr Batterielebensdauer ermöglicht.
(Bild: Texas Instruments)

Texas Instruments hat einen bidirektionalen Buck/Boost-Wandler mit der extrem geringen Ruhestromaufnahme (IQ) von 60 nA vorgestellt – das ist nur ein Drittel des IQ-Werts anderer Boost-Wandler. Der Buck/Boost-Wandler TPS61094 verfügt über einen integrierten Buck-Modus zum Laden von Superkondensatoren unter Beibehaltung einer extrem niedrigen Ruhestromaufnahme, sodass sich die Batterielebensdauer gegenüber den üblichen HLCs (Hybrid-Layer Capacitors) um bis zu 20 Prozent verlängern lässt. Das Laden und Entladen von Superkondensatoren hilft beim Abfangen von Lastspitzen und bei der Backup-Stromversorgung – beides wichtig für den ununterbrochenen Betrieb batteriebetriebener Anwendungen wie Smart Meter, Rauchmelder und Video-Türsprechanlagen sowie medizinische Anwendungen.

Bei der Entwicklung batteriebetriebener Systeme stellt sich die Herausforderung, dass auch im Betrieb mit kleiner oder gar keiner Last ein hoher Wirkungsgrad mit einer Stromaufnahme im unteren Milliampere- oder gar im Mikroampere-Bereich gefordert wird. Die Stromversorgungen müssen die Regelung ihres Ausgangs hier auch bei einer extrem niedrigen Stromaufnahme im Nanoampere-Bereich aufrecht erhalten. Der TPS61094 vereint dabei zwei wichtige Vorzüge, die sich bisher gegenseitig ausschlossen: das einfache Design eines integrierten Buck/Boost-Wandlers und die längere Batterielebensdauer, die durch einen hohen Ausgangsstrom und einen geringen IQ-Wert ermöglicht wird. Mehr zu diesem Thema finden Sie in dem Beitrag „3 benefits of using a low-IQ buck/boost converter to extend battery life in flow meters”.

Abfangen von Lastspitzen und Backup-Stromversorgung aus Superkondensator

Heutige Entwicklungen auf der Basis von Lithiumthionylchlorid-Batterien (Li/SOCl₂) fangen Lastspitzen häufig mit HLCs ab, die jedoch teuer sind und keine optimalen Voraussetzungen für das Regeln des Ladestroms bieten. Die vom TPS61094 gebotene Kombination aus einem nur 60 nA betragenden IQ-Wert und einer Lade- und Entladefunktion für Superkondensatoren bietet Entwicklern die Möglichkeit, HLCs durch Superkondensatoren zu ersetzen, um Lastspitzen abzufangen und die Batterielebensdauer von Applikationen, die zehn Jahre oder mehr mit einer Batterie auskommen müssen, um bis zu 20 Prozent zu verlängern. Weiterführende Informationen über die Verwendung des TPS61094 in Smart-Meter-Systemen enthält die Applikationsschrift „A long-lifetime, cost-competitive solution in smart meters based on the TPS61094”.

Ebenso kann der TPS61094 die Backup-Stromversorgung in Anwendungen übernehmen, die bei einem Stromausfall geordnet heruntergefahren werden oder eine letzte Kommunikation ausführen müssen. Hierzu finden Sie mehr im Beitrag „Effective ways to implement backup power from supercapacitors”.

Doppelter Ausgangsstrom bei niedrigstem IQ-Wert

Abgesehen davon, dass er die Batterielebensdauer verlängert, besitzt der Buck/Boost-Wandler einen auf 2 A begrenzten Spulenstrom. Somit kommt der TPS61094 auf den doppelten Ausgangsstrom anderer Boost-Wandler.

Der höhere Ausgangsstrom erlaubt die Verwendung des TPS61094 für Funk-Standards wie Narrowband Internet of Things (NB-IoT), LTE-M, Wi-SUN, MIOTY, Bluetooth und wireless M-Bus, und zwar über einen größeren Eingangsspannungsbereich. So kann der TPS61094 beispielsweise bei Eingangsspannungen bis zu 0,7 V heunter einen Ausgangsstrom von mehr als 250 mA liefern.

Bis zu 50 Prozent weniger Bauteile und einfacheres Design

Typische industrielle Anwendungen wie Smart Meter benötigen mehrere Bauelemente für die Backup-Stromversorgung und das Abfangen von Lastspitzen. Die Integration einer Buck-Ladefunktion und eines Boost-Wandlers in einen einzigen IC ermöglicht den Verzicht auf eine diskrete Buck-Ladeschaltung, eine Induktivität und zwei externe Kondensatoren, wodurch sich der Bauteileaufwand um 50 Prozent verringern kann und außerdem Leiterplattenfläche eingespart wird.

Die Integration von Buck-Ladeschaltung und Boost-Wandler ermöglicht es, die Abstimmung zwischen sämtlichen Funktionen problemlos zu kontrollieren, um für reibungslosere Übergänge zwischen den verschiedenen Betriebsarten zu sorgen.

Der TPS61094 ist bei Texas Instruments und autorisierten Distributoren in einem 2,0 mm x 3,0 mm messenden WSON-Gehäuse (Very Very Thin Small Outline No-Lead) mit 12 Pins verfügbar und kostet 1,20 US-$ (ab 1.000 Stück). Über TI.com und andere Kanäle können komplette oder mit kundenspezifischen Stückzahlen bewickelte Spulen bezogen werden. Das Evaluierungsmodul TPS61094EVM-066 wird auf TI.com für 99 US-Dollar angeboten. Zudem stehen auf TI.com mehrere Zahlungs- und Versandoptionen zur Wahl.

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