Hybride LDO/PWM-Architektur Kompakte Power-Management-Lösungen für Handys der nächsten Generation

Autor / Redakteur: Ralph Monteiro* / Johann Wiesböck

Um das Designen von Geräten mit Schaltregler zu vereinfachen, wäre es ideal, wenn die Spule integriert werden könnte. Eine solche Lösung ist der Micrel-Baustein MIC3385. Seine hohe

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Um das Designen von Geräten mit Schaltregler zu vereinfachen, wäre es ideal, wenn die Spule integriert werden könnte. Eine solche Lösung ist der Micrel-Baustein MIC3385. Seine hohe Schaltfrequenz von 8 MHz ermöglicht die niedrige Induktivität, die für eine Integration in einem Gehäuse von nur 3 mm x 3,5 mm x 0,9 mm erforderlich ist. Dies vereinfacht nicht nur den Einsatz des Gerätes, sondern verkleinert auch den Footprint. Der Platzbedarf des MIC3385 beträgt deshalb auch nur 24,5 mm². Weitere Vorteile für den Designer ergeben sich aus der zugrundeliegenden hybriden LDO/PWM-Mode-Architektur.

Die Mobiltelefone der nächsten Generation entwickeln sich zu einer Kombination aus Telefon, PDA, GPS, Digitalkamera und Handheld-Spielgerät. Auch das Digitalfernsehen hat 2006 Einzug in die Mobiltelefone gehalten. Während der Fußball-WM konnten die Fans die Spiele ihrer Lieblingsmannschaft direkt auf dem Handy verfolgen.

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Die hohe Akzeptanz dieser Funktionen bei den Konsumenten hat die Netzanbieter veranlasst, ihre Netze auszubauen. So können sie die Vorteile der neuesten Wireless-Standards nutzen, z.B. EDGE für GSM-Netze und HSDPA für WCDMA-Netze, mit denen Downloadgeschwindigkeiten im 1-GBit/s-Bereich möglich sind.

Aus diesem Grund entwickeln die großen Mobiltelefonhersteller funktionsreiche Telefone (oder Multimediageräte) für die erschlossenen Märkte in Europa, Nordamerika, Korea und Japan. Diese Telefone haben nicht nur mehr Funktionalität; auch Form und Design müssen den Ansprüchen der Kunden genügen.

Mit der höheren Funktionalität in den Mobiltelefonen steigen auch die Anforderungen an das Power Management. So benötigen beispielsweise Digitalkameras im höheren Megapixelbereich zusätzliche Schaltregler, um den Beschleuniger-DSP der Kamera und die leistungsstarken Flash-LEDs anzutreiben.

Für die Integration von Digital-TV und Standards wie DVB-H (Digital Video Broadcast, Handsets) und DMB (Digital Multimedia Broadcast) sind ein Demodulator und RF-Tuner erforderlich. Spiele und andere Multimediafunktionen benötigen einen Grafikprozessor, da der Basisbandprozessor nicht für Funktionen wie Wiedergabe, Wi-Fi, WiMAX und WiBRO optimiert ist. Ein besonderer Energiebedarf besteht zudem für den schnellen Internetzugang.

Die Herausforderung: Power Management

Mit der Integration der zuvor erwähnten Funktionen in Mobiltelefonen steigt auch die Leistungsaufnahme von aktiven und Standby-Systemen. Es gilt also, die Akku-Standzeit zu optimieren und gleichzeitig die Herausforderungen des Power Management Designs für tragbare Geräte zu meistern. Hauptsächlich aus diesem Grund werden in neueren Mobiltelefonen immer öfter DC/DC-Wandler anstelle von Linearreglern eingesetzt.

Schaltregler-Lösungen sind allerdings teurer; sie brauchen mehr Platz und erzeugen stärkere Störspannungen als Linearregler, was zu erheblichen Designproblemen führen kann.

Im Vergleich zu Linearreglern haben Schaltregler deshalb einen größeren Footprint, weil sie eine Spule und einen größeren Ausgangskondensator benötigen. Der Schlüssel zur optimalen Footprint-Lösung liegt also darin, die Abmessungen der Spule und Ausgangskondensators zu reduzieren.

Kleinere Spulenabmessungen

Bild 1 zeigt den Footprint eines Schaltreglers in einem Mobiltelefondesign mit SOT-23 Standardgehäuse und diskreter Spule. Spule und Ausgangskondensator bestimmen klar die Größe der Lösung. Die Abmessungen in der hier gezeigten Lösung sind 10 mm x 14 mm – davon beansprucht allein die Spule schon etwa 4 mm x 4 mm. Das liegt daran, dass der Schaltregler mit einer niedrigen Schaltfrequenz arbeitet und eine Induktivität von 4,7 bis 10 µH benötigt.

Nach und nach setzen sich auch höhere Schaltfrequenzen von 2 bis 4 MHz durch, so dass inzwischen auch Chip-Spulen mit erheblich kleineren Abmessungen verfügbar sind. Je kleiner aber die Abmessungen sind, desto höher ist der DC-Widerstand und desto geringer ist somit der Wirkungsgrad der Lösung. Die Auswahl der richtigen Spule, die die Anforderungen sowohl hinsichtlich Wirkungsgrad als auch Abmessungen erfüllt, ist also nicht ganz einfach.

Um das Designen von Geräten mit Schaltregler zu vereinfachen, wäre es ideal, wenn die Spule integriert werden könnte. Eine solche Lösung ist beispielsweise der Micrel-Baustein MIC3385. Seine hohe Schaltfrequenz von 8 MHz ermöglicht die niedrige Induktivität, die für eine Integration in einem Gehäuse von nur 3 mm x 3,5 mm x 0,9 mm erforderlich ist. Dies vereinfacht nicht nur den Einsatz des Gerätes, sondern verkleinert auch den Footprint. Bild 2 zeigt den geringen Platzbedarf des MIC3385 von nur 24,5 mm².

Niedrigere Ausgangskapazität

Die Prozessoren der nächsten Generation gehen in Richtung 90-nm-Technologie und brauchen dafür eine Versorgungsspannung im Bereich von 1,2 bis 1,5 V. Ein 1,5-V-Digitalprozessor mit nur ±5% Toleranz erlaubt eine Abweichung von maximal 75 mV von der 1,5-V- Nennversorgungsspannung. Für diese Toleranz ist ein sehr gutes Einschwingverhalten der Stromversorgung vonnöten. Ein schlechtes Einschwingverhalten muss vom Design der Stromversorgung mit einer hohen Ausgangskapazität kompensiert werden. Das Micrel-IC MIC3385 löst dieses Problem mit einer hybriden LDO/PWM-Mode-Architektur. Diese hat zwei gravierende Vorteile.

1. Lastströme unter 10 mA verringern den Wirkungsgrad eines PWM-Buckreglers erheblich. Für einen höheren Wirkungsgrad verfügt der MIC3385 über einen LDO-Mode, der über einen sogenannten LOWQ-Pin zuschaltbar ist. Bild 3 zeigt das Blockschalbild des MIC3385. Der LDO-Regler ist parallel zum DC/DC-Wandler und versorgt den Ausgang mit Strom, sobald der LOWQ-Pin über ein logisches Zustandssignal angesteuert wird.

Bei tragbaren Applikationen hat der Prozessor im Schlafmoduls einen sehr niedrigen Stromverbrauch. In diesem Modus ermöglicht ein LDO-Regler einen hohen Wirkungsgrad, da er nur 18 µA Ruhestrom verbraucht.

2. Wenn der Prozessor vom Schlafmodus in den normalen Betriebsmodus wechselt, kann der LDO den Stromanstieg bei minimaler Ausgangskapazität liefern, während der Schaltregler die Stromversorgung des Prozessors übernimmt.

Andere derzeit marktgängige Regler verwenden ein PFM-Schema bei leichten Lasten. Zwar wird dadurch eine guter Wirkungsgrad bei Leichtlast erzielt, doch das Einschwingverhalten wird beeinträchtigt. Dies führt nicht nur zu höheren Designkosten, sondern auch zu einer wesentlich größeren Lösung.

Bild 4 zeigt den Vergleich zwischen dem MIC3385 und einem industrieüblichen Buckregler mit PFM-Mode-Leichtlastschema. Wie bei Lasten von <1 mA zu sehen ist, hat der Leichtlastmodus des industrieüblichen Bauteils einen Rauschpegel von über 150 mV. Bei Lasten von über ca. 30 mA wechselt das Bauteil in den PFM-Mode und weist weiterhin starke Störspannungen auf. Genau beim Wechsel vom PFM- in den PWM-Mode tritt jedoch die größte Abweichung der Ausgangsspannung auf. Zum Filtern dieser Störspannung sind große Ausgangskondensatoren erforderlich, was nicht nur höhere Kosten sondern auch einen erhöhten Platzbedarf im Design zur Folge hat. Im Vergleich dazu weist der Micrel-Baustein MIC3385 eine stabile Ausgangsspannung auch bei Änderungen im Lastprofil auf.

Micrel, Tel. +49(0)7021 736237

*Ralph Monteiro ist Senior Product Marketing Manager für Portable-Power- und Linear-Regulators-Produkte bei Micrel in den USA.

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