Boost Converter In batteriebetriebenen Geräten die Störspannung minimieren

Autor / Redakteur: Mark Shepherd * / Gerd Kucera

Oft listet das Datenblatt eines Mikrocontrollers einen weiten Betriebsspannungsbereich. Doch die MCU kann in batteriebetriebenen Geräten nicht über den gesamten Bereich die volle Leistung bringen.

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Bild 1: Mikrocontroller können oft nur bei einer Betriebsspannung von etwa 3 V oder mehr mit der maximalen Taktfrequenz betrieben werden. Das gilt beispielsweise für zwei der beliebtesten Mikrocontrollerfamilien (MSP430 und RL78/G13 ).
Bild 1: Mikrocontroller können oft nur bei einer Betriebsspannung von etwa 3 V oder mehr mit der maximalen Taktfrequenz betrieben werden. Das gilt beispielsweise für zwei der beliebtesten Mikrocontrollerfamilien (MSP430 und RL78/G13 ).
(Bild: ams)

Ein flüchtiger Blick auf die Betriebsspannungsspezifikationen im Datenblatt zu einem typischen Mikrocontroller enthüllt nicht die ganze Wahrheit. In vielen Fällen wird im Datenblatt ein weiter Betriebsspannungsbereich angegeben, oft von 1,8 bis 3,6 V. Dieser weite Bereich lässt die MCU als eine ideale Lösung für batteriebetriebene Anwendungen erscheinen, weil er den kompletten Bereich möglicher Batteriespannungen abdeckt; vom Maximalwert im Neu- oder vollgeladenen Zustand der Batterie bis zum Minimalwert am unteren Ende des nutzbaren Spannungsbereichs.

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Dabei wird oft außer Acht gelassen, dass Mikrocontroller nicht über diesen gesamten Betriebsspannungsbereich die volle Leistung bringen. Die maximal zulässige Taktfrequenz beispielsweise erreichen Mikrocontroller im Allgemeinen nur bei Betriebsspannungen in der Nähe des Maximalwertes, typischerweise bei ≥3 V (Bild 1).

Der Entwickler steht dann vor der Wahl: Entweder er betreibt den Mikrocontroller direkt an einer Batterie, beispielsweise einer Lithium-Knopfzelle oder zwei Alkaline-AA-Zellen, und nimmt eine geringere Arbeitsgeschwindigkeit in Kauf, oder er hebt die Betriebsspannung mithilfe eines Aufwärtsreglers an und sorgt so dafür, dass der Controller mit maximaler Arbeitsgeschwindigkeit laufen kann.

Wie im Verlauf des Artikels deutlich wird, erzwingt die Entscheidung für einen Aufwärtsregler einige Kompromisse, die womöglich unerwünscht sind. Der Artikel erläutert auch, worauf bei der Auswahl eines Aufwärtsregler zu achten ist, wenn man die Forderungen nach hoher Energieeffizienz, hohem Integrationsgrad und geringer Ausgangswelligkeit/-rauschen in Einklang bringen möchte.

Aufwärtsreglers in der Nähe rauschsensitiver Schaltungen

Bild 2 zeigt eine typische Stromversorgungsschaltung für Produkte wie batteriebetriebene HF-Sensoren. Der Sensor macht in regelmäßigen Zeitabständen immer wieder dasselbe: er wacht auf, führt eine Messung durch, überträgt den Messwert per Funk zu einem Hub und geht danach wieder schlafen.

In dieser Anwendung ist es wichtig, dass der Mikrocontroller mit maximaler Geschwindigkeit arbeitet, damit er seine Aufgabe möglichst schnell erledigt und er der Batterie möglichst wenig Energie entnimmt. Solange die Batterie, die den Sensor speist, voll geladen ist, kommt der Mikrocontroller ohne Aufwärtsregler aus. Deshalb wird der Aufwärtsregler in dieser Situation durch die Diode D1 überbrückt.

Die MCU-Firmware überwacht die Betriebsspannung des Mikrocontrollers mithilfe eines A/D-Wandlers. Wenn die Spannung im Zuge der Entladung der Batterie unter 3 V sinkt, aktiviert die MCU-Firmware den Aufwärtsregler – in diesem Fall ist es ein AS1310 von ams – und stellt dadurch sicher, dass der Mikrocontroller weiterhin eine geregelte Betriebsspannung von 3 V erhält.

Der Entwickler kann die Schaltung so auslegen, dass immer dann, wenn dem Mikrocontroller die volle Arbeitsgeschwindigkeit abverlangt wird oder wenn andere Funktionsblöcke innerhalb des Systems eine höhere Spannung benötigen, als die Batterie liefern kann, die Batteriespannung „geboostet“ wird.

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