Abwärts-Schaltregler Runter mit dem Ruhestrom

Redakteur: Gerd Kucera

Aktuelle Power- und Power-­Management-Komponenten haben wichtige Impulse beim Entwickeln moderner Stromversorgungen ­beigetragen. Etwa durch die stete Erhöhung des Wirkungsgrades. Andere Zielvorgaben sind die Verbesserung des Dynamik- und Rauschverhaltens oder der Stör­sicherheit. Speziell die Automobilindustrie legt nun immer mehr Wert auf die Minimierung der Ruhe­stromaufnahme in der Kfz-­Elek­tronik. Der Baustein LM26001 ist ­eine Lösung für besonders ­kritische Aufgaben.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Abwärts-Schaltregler Bei batteriebetriebenen Systemen wird erheblicher Wert auf eine lange Batterielebensdauer gelegt, die wiederum abgesehen von der Leistungsaufnahme des Verbrauchers auch vom Wirkungsgrad der Stromversorgung bestimmt wird. Wenn die Leistungsaufnahme nicht verändert werden kann, bleibt als einziger Ausweg, die Stromversorgung effizienter zu machen. Speziell bei geringer Ausgangsleistung lässt sich dies unter anderem dadurch erreichen, dass man die Ruhestromaufnahme des Regler-ICs reduziert.

Wie ist die Ruhestromaufnahme definiert? Unter Ruhestrom versteht man den Strom, den eine Stromversorgung aufnimmt, wenn ihrem Ausgang kein Strom entnommen wird. Im Shutdown-Zustand nehmen die meisten modernen Stromversorgungen nur wenige Mikroampere auf. Sobald der Ausgang jedoch einen noch so kleinen Strom liefert, muss die Stromversorgung in Betrieb gesetzt werden, sodass sie zwangsläufig auch selbst Leistung aufnimmt.

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Diese Leistungsaufnahme besteht aus zwei Hauptkomponenten: erstens handelt es sich um das Produkt aus der Eingangsspannung des Leistungsreglers und seiner Stromaufnahme im eingeschalteten Zustand. Diese Leistung dient zur Versorgung interner Funktionen wie der Präzisionsreferenz, des PWM-Generators, des Oszillators, des Fehlerverstärkers und vieler weiterer Blöcke, die auch im statischen Zustand arbeiten müssen. Die zweite Komponente der Verlustleistung resultiert aus den Feed-back-Widerständen, die zum Einstellen der Ausgangsspannung dienen (Bild 1). Sie berechnet sich aus der eingestellten Ausgangsspannung und der Summe aus Rfb1 und Rfb2 (Quadrat der Spannung dividiert durch den Widerstand.) Je höher also der Feed-back-Widerstand ist, umso kleiner ist die Verlustleistung.

Neue Anforderungen aus der Kfz-Industrie

In der Realität stößt diese Optimierung allerdings an gewisse praktische Grenzen. Bei zu hohem Widerstand besteht das Risiko, dass Störungen in den fb-Pin des Leistungs-IC eingekoppelt werden und Probleme in der Regelschleife verursachen. Ein realistischer oberer Grenzwert für diesen Widerstand liegt bei einigen 100 Kiloohm. Wird ein Leistungs-IC mit fest vorgegebener Ausgangsspannung (d.h. ohne Feed-back-Widerstände) benutzt, so bedeutet das keineswegs, dass diese Verlustleistungskomponente wegfällt, denn die Feed-back-Widerstände sind in diesem Fall als genau angepasste Widerstände in das IC integriert. Häufig bieten Leistungs-ICs mit einstellbarer Ausgangsspannung sogar mehr Flexibilität bei der Wahl der Feedback-Widerstände, sodass bessere Möglichkeiten zur Kontrolle der Verlustleistung bestehen. Andererseits haben IC-interne Spannungsteiler den Vorteil optimierter Widerstandswerte und geringerer Rauschempfindlichkeit, da der hochohmige Knoten des Fehlerverstärkers nicht herausgeführt ist.

Eine neu hinzugekommene Anforderung des Markts resultierte aus dem wachsenden Elektronikanteil in modernen Kraftfahrzeugen. Je mehr Systeme die Fahrzeugbatterie speisen muss, umso schneller ist sie leer. Solange der Motor läuft und die Batterie von der Lichtmaschine geladen wird, ist die Leistungsaufnahme der elektronischen Systeme weniger problematisch. Kritisch sind vielmehr die Systeme, die auch bei stehendem Motor versorgt werden müssen und zu einer völligen Entladung der Fahrzeugbatterie führen können, wenn das Auto über längere Zeit (d.h. über Wochen, möglicherweise aber auch nur für wenige Tage) nicht bewegt wird. Ununterbrochen versorgt werden müssen beispielsweise die Echtzeituhr, Speicher, Alarmsysteme (etwa Sensoren) und ähnliche Dinge.

In vielen Applikationen, speziell mit geringen Ausgangsströmen und einer kleinen Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung, können Linearregler durchaus die beste Lösung sein. Sie sind weniger komplex als Schaltregler und kommen deshalb mit weniger Leistung aus. Die Verlustleistung eines Linearreglers setzt sich aus drei Komponenten zusammen. Erstens: Verluste im Leistungspfad, berechnet als Produkt aus der Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung und dem Laststrom. Zweitens: Leistungsaufnahme der internen Funktionen des Linearreglers. Dieser klassische Ruhestrom ist im Datenblatt des IC angegeben. Und drittens: Verlustleistung in den Feed-back-Widerständen, abhängig vom Wert der Feed-back-Widerstände und der Ausgangsspannung.

Unter der Bezeichnung LM2936 bietet National Semiconductor einen speziell für geringe Ruhestromaufnahme optimierten Linarregler an. Der Ruhestrom hängt von der Ausgangsleistung ab und beträgt bei einem Ausgangsstrom von 100 µA weniger als 20 µA. Die Verluste im Leistungspfad sind sehr gering, wenn der Ausgangsstrom sehr niedrig ist (Bild 2). In vielen Fällen bewährt es sich somit gut, für die effiziente Bereitstellung kleiner Ausgangsleistungen einen Linearregler zu benutzen.

Ein optimiertes Design sorgtfür niedrige Stromaufnahme

Aufgrund ihrer höheren Komplexität nehmen Schaltregler meist einen höheren Ruhestrom auf. Hinzu kommt, dass ein Schaltregler das Schaltelement – in der Regel ist dies ein MOSFET – bei jedem Einschalten neu laden muss. Wenn ein Schaltregler mit konstanter Frequenz arbeitet, ist der Gesamtwirkungsgrad bei sehr kleiner Ausgangsleistung somit sehr gering. Systeme, die bei niedriger Ausgangsleistung einen hohen Wirkungsgrad erzielen und dennoch mit hoher Ausgangsleistung aufwarten müssen, werden deshalb oft mit zwei parallelen Stromversorgungsbausteinen bestückt. Bei hoher Ausgangsleistung sorgt ein Schaltregler für einen hohen Wirkungsgrad, während bei niedriger Ausgangleistung ein LDO-Regler (Low-Dropout) mit niedriger Ruhestromaufnahme an die Stelle des Schaltreglers tritt (Bild 3). Ein solches System bewährt sich tatsächlich, erfordert aber zwei unabhängige Stromversorgungen. Außerdem sind die Steuerungsmechanismen relativ komplex und der Bauteileaufwand ist recht hoch.

Bei neuen Schaltreglern wie dem LM26001 von National Semiconductor ist eine komplexe Lösung der eben angeführten Art zu einem einfachen Design zusammengefasst. Der LM26001 nimmt typisch nur 40 µA auf, während er Lastströme von einigen hundert Mikroampere liefert. Ein solches, für niedrige Ruhestromaufnahme optimiertes Design arbeitet im so genannten Pulse-Skip-Modus. Es wird also nur bei einem tatsächlichen Bedarf Energie vom Eingang an den Ausgang übertragen. Die aus dem Laden des Schaltelements resultierenden Verluste lassen sich auf diese Weise optimieren. Über den eingebauten N-Kanal-Schalter kann der LM26001 einen Dauerstrom bis 1,5 A mit fest eingestellter Strombegrenzung bereitstellen. Der Baustein eignet sich für einen weiten Eingangsspannungsbereich von 4 bis 38 V und verkraftet auch Einbrüche der Eingangsspannung auf 3 V.

Durch Verfügbarkeit dieser Schaltregler steht außerdem für viele Anwendungen, die auf eine niedrige Ruhestromaufnahme angewiesen sind, eine maßgeschneiderte Lösung bereit. Die Zahl solcher Applikationen wird nicht weniger werden, sodass mit verstärkten Entwicklungsaktivitäten und einer wachsenden Auswahl entsprechender Halbleiterprodukte zu rechnen ist.

National Semiconductor

Tel. +49(0)8141 351443

*Frederik Dostal ist Field Applications Engineer Central Europe Sales und Michele Sclocchi ist Principal Applications Engineer Power Management Europe bei National Semiconductor in Mailand, Italien.

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