Power-Tipp Drei wichtige Aspekte zur Ruhestromaufnahme

Von Chris Glaser *

Die Ruhestromaufnahme entscheidet darüber, wie lange die Batterie eines Gerätes hält. In diesem Zusammenhang sind drei Aspekte relevant: Der Shutdown-Strom und der Ruhestrom im schaltendem sowie im nichtschaltendem Zustand. Einige Überlegungen dazu.

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Ruhestrom: Drei Aspekte sind beim Design von Batterie-Geräten wichtig.
Ruhestrom: Drei Aspekte sind beim Design von Batterie-Geräten wichtig.
(Bild: Manuchi auf pixabay)

Bei der Ruhestromaufnahme (Quiescent Current, IQ) handelt es sich um den Strom, den ein IC im aktiven Zustand ohne Last und ohne zu schalten aufnimmt. Wenn dieser Strom einer Batterie entnommen wird, entscheidet er mit darüber, wie lange die Batterie hält. Befindet sich das betreffende System lange im Standby- oder Sleep-Modus, kann ein Abwärtswandler wie der TPS62840 (IQ = 60 nA) Smart Metern eine Batterielebensdauer von bis zu zehn Jahren verleihen.

Im Zusammenhang mit IQ sind drei Aspekte relevant, nämlich der Shutdown-Strom sowie die IQ-Werte im schaltenden und im nicht schaltenden Zustand. Der Shutdown-Strom wird gemessen, während der IC abgeschaltet oder deaktiviert ist. Der IQ-Wert im nicht schaltenden Zustand ist keineswegs null, denn es kommt bei einigen ICs auch im deaktivierten Zustand zu kleinen Leckströmen.

Bild 1: Das Datenblatt zeigt die Stromentnahme aus der Batterie des BQ21061 im Versandmodus.
Bild 1: Das Datenblatt zeigt die Stromentnahme aus der Batterie des BQ21061 im Versandmodus.
(Bild: TI)

Dass ein soeben gekauftes elektronisches Gerät aufgrund eines leeren Akkus nicht sofort funktioniert, kann an den Shutdown-Strömen der ICs liegen (siehe das Datenblatt in Bild 1).

Einige ICs besitzen verschiedene Shutdown-Modi, in denen jeweils nur ein sehr begrenzter Teil der Funktionen aktiv bleibt, um die Ruhestromaufnahme zu senken. Im Fall des Akkulade-Chips BQ25120 etwa wird die Stromaufnahme von 700 nA im High-Impedance-Modus auf 2 nA im Ship-Modus abgesenkt, was einer Reduktion um den Faktor 350 entspricht.

Ruhestrom im nichtschaltenden Zustand

Der IQ-Wert eines IC im nicht schaltenden Zustand bezieht sich auf die Phasen zwischen den Schaltimpulsen und ohne Last. Da er sich in der Produktion problemlos messen lässt, findet man ihn in den Datenblättern der meisten DC/DC-Schaltwandler.

Auch wenn der „Non-Switching IQ“ gerechte Vergleiche zwischen verschiedenen ICs ermöglicht, eignet er sich nicht zum Abschätzen der Batterielebensdauer. Viele ICs ziehen ihren IQ nämlich aus der Eingangs- und der Ausgangsspannung, wobei letztere auch aus der eingangsseitigen Batterie entnommen wird. Es sind also zusätzliche Umwandlungen oder Messungen nötig, um einen äquivalenten IQ-Wert aus der Eingangsquelle zu bekommen – einfaches Addieren beider Werte reicht nicht.

Obwohl etwa der Aufwärtswandler TPS61099 400 nA aus der Eingangsspannung UIN und 600 nA aus der Ausgangsspannung UOUT zieht, beträgt der „No Load“-Eingangsstrom nicht 1 µA, sondern rund 1,3 µA.

Ruhestrom im schaltenden Zustand

Bild 2: Der DC/DC-Wandler TPS62840 hat einen IQ-Wert von 60 nA. Dieser Wert liefert die beste Aussage über die Stromentnahme aus der Batterie.
Bild 2: Der DC/DC-Wandler TPS62840 hat einen IQ-Wert von 60 nA. Dieser Wert liefert die beste Aussage über die Stromentnahme aus der Batterie.
(Bild: TI)

Der IQ-Wert im schaltenden Zustand wird auch als Betriebs-IQ, Standby-Strom, Sleep-Strom, „No Load“-Eingangsstrom oder Massestrom (bei LDOs) bezeichnet. Es handelt sich bei ihm um den real gemessenen Eingangsstrom des in Betrieb befindlichen IC, ohne dass eine Last angesteuert wird. Da die Messung unter Praxisbedingungen erfolgt, schaltet der IC gelegentlich. Dieser Wert liefert die beste Aussage über die Stromentnahme aus der Batterie und ist in vielen Datenblättern angegeben (Bild 2).

Bei einem zu hohen „Switching IQ“ wird zu viel Batteriekapazität vergeudet, wenn die betreffende Anwendung lange Zeit im Wartezustand verbringt.

* Chris Glaser ist Senior Applications Engineer in der Gruppe „Low Power DC/DC“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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