Spannungsunterschiede erlaubt

Autor / Redakteur: Travis Williams* / Kristin Rinortner

In tragbare Geräte werden zunehmend unterschiedliche Spannungen zur Versorgung bzw. Steuerung von Prozessoren und ASICs und des analogen Chipsatzes implementiert. Hierfür sind Analogschalter

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( Archiv: Vogel Business Media )

In tragbare Geräte werden zunehmend unterschiedliche Spannungen zur Versorgung bzw. Steuerung von Prozessoren und ASICs und des analogen Chipsatzes implementiert. Hierfür sind Analogschalter erforderlich, die einen weiteren Spannungsbereich an den Steuereingängen abdecken und gleichzeitig eine geringe Stromaufnahme sowie einen Signalhub über den gesamten Betriebsspannungsbereich gewährleisten.

Da tragbare Geräte akkubetrieben sind, ist bei der Auswahl eines Analogschalters dessen Stromverbrauch maßgeblich. Das GPIO-Signal steuert den Analogschalter. Bis vor kurzem entsprachen die auf dem Board von Universal-I/Os (GPIO) bereit gestellten Steuersignale der Betriebsspannung des Analogschalters, wodurch eine geringe Stromaufnahme des Schalters gewährleistet wurde. (In den Datenblättern der meisten Standard-Analogschalter ist nur der ICC-Strom für den typischen Betrieb und damit für den Fall angegeben, dass die Spannung am Steuereingang der Versorgungsspannung entspricht.) Unter diesen Bedingungen ziehen Analogschalter in einer Standardkonfiguration (Steuereingang 0 V oder VCC) einen Strom von weniger als 1 µA. Die Versorgungsspannung liegt dabei zwischen 2,7 und 3,6 V (bei angeschlossenem Netzteil) bzw. reicht bis 4,3 V bei geladenem Akku.

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Aktuelle ASIC-Designs werden mit kleineren Strukturbreiten gefertigt, die die Spannungen begrenzen. Als Folge muss die vom Leistungsmanagement-IC gelieferte Versorgungsspannung für das ASIC reduziert werden. In vielen Fällen benötigt das ASIC dann eine Versorgungsspannung von 2,6 bis 2,8 V, die gleichzeitig den Spannungspegel des GPIOs auf diesen Wert begrenzt.

Wird der Standard-Analogschalter direkt vom Akku versorgt und liegt die GPIO-Spannung im Bereich von 2,6 bis 2,8 V, führt dies zu einer unverhältnismäßig hohen Stromaufnahme (>1 mA) des Schalters. Nach einem Umstieg auf ASICs mit geringerer Betriebsspannung wurden daher viele Systementwickler mit Strömen im Milliamperebereich konfrontiert, die unakzeptabel sind.

Bild 1 verdeutlicht die gerade beschriebenen Schaltungsunterschiede zwischen herkömmlichem und neuem System. Im ersten Fall ist die Spannung am Select-Pin genauso hoch wie die Betriebsspannung VCC des Schalters FSA4157. In dieser Konfiguration liegt die Stromaufnahme bei weniger als 1 µA. Bei den neuen Systemen liegt am Select-Pin nicht mehr die VCC-Spannung, sondern nur noch die Versorgungsspannung des ASICs an. In dieser Konfiguration kann die Stromaufnahme eines Standard-Analogschalters durchaus 1 mA übersteigen. In diesem Fall sollte man einen so genannten „Low-ICCT“-Schalter wie den FSA4157A einsetzen.

In den Datenblättern ist lediglich angegeben, dass der Schalter das Steuersignal als „High“ oder „Low“ erkennt, solange der Eingang für das Steuersignal auf einem Pegel größer VIHmin bzw. weniger als VILmax liegt. Die Stromaufnahme ist allerdings nicht für den Fall spezifiziert, dass die Steuerspannung von 0 V bzw. VCC abweicht. Obwohl die Ansteuerlogik den korrekten Ausgangszustand herstellt, solange das Steuersignal innerhalb der vorgegebenen VIH- und VIL-Grenzen liegt, ist die Stromaufnahme um so höher, je weiter die Ansteuerspannung sich von einem der beiden Potenziale entfernt.

Eigenschaften von Low-ICCT-Schaltern

Moderne Analogschalter sollten sich durch geringe Stromaufnahme bei vollem Spannungshub des zu schaltenden Signals auszeichnen und gleichzeitig einen weiter gesteckten Bereich für die Spannung am Steuereingang erlauben. So genannte Low-ICCT-Schalter lassen sich nach wie vor direkt aus einem 4,3-V-Akku speisen, der Steuereingang muss jedoch nicht VCC beaufschlagt werden, um eine geringe Stromaufnahme zu gewährleisten. Selbst in Anwendungen, bei denen die Spannung immer auf 3,6 V stabilisiert wird, steigt der Stromverbrauch eines Standard-Analogschalters an, wenn am Select-Pin eine geringere Spannung als die Versorgungsspannung anliegt. Auch in diesem Fall sind Low-ICCT-Versionen notwendig.

Bild 2 zeigt die Strom-/Spannungskennlinie der neuen Analogschalter-Generation im Vergleich zu einem herkömmlichen Schalter. Die Stromspitze ist zwar immer noch vorhanden, sie liegt aber weiter links und ihr Spitzenwert ist deutlich niedriger. Die Gesamtstromaufnahme des Low-ICCT-Schalters liegt bei VCC=4,3 V und einer Steuerspannung von 2,6 V weit unter 10 µA – eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen Analogschaltern. Für tragbare Geräte mit mehreren Spannungspotenzialen, die über eine eingeschränkte GPIO-Treiberfähigkeit verfügen, sind diese Schalter die einzige mögliche Strom sparende Lösung.

Welche Kompromisse sind notwendig?

Für die besseren Leistungsdaten müssen einige Kompromisse in Kauf genommen werden. Zum ersten sollte der Entwickler wissen, dass die Schaltschwelle des Steuereingangs entsprechend abgesenkt wurde. Dies lässt sich an der Verschiebung der Position der Stromspitze in Bild 2 erkennen. Darüber hinaus weisen die „A“-Produkte etwas höhere Ansprech- (tON) und Abschaltzeiten (tOFF) sowie eine leichte Erhöhung des minimal benötigten VCC-Versorgungsbereiches auf. Die Systemleistung in aktuellen Anwendungen wird jedoch durch keine der beiden Einschränkungen beeinträchtigt.

Für typische Low-ICCT-Produkte steigt die minimale Versorgungsspannung von 1,65 auf 2,3 V. Aus mehreren Gründen stellt dies kein Problem dar: Es gibt nur sehr wenige tragbare Geräte, die nicht über eine Spannung von mind. 2,3 V für die Versorgung des Analogschalters verfügen. Da Analogschalter nicht viel Strom ziehen (etwa 1 µA), bevorzugen Entwickler meist sowieso eine höhere Versorgungsspannung (>2,3 V), da sich damit ein geringerer ON-Widerstand realisieren lässt. Für typische Audioumschaltungen oder USB-Anwendungen spielt ein niedriger RON eine wichtige Rolle. Die höheren Werte für die Schaltzeiten tON und tOFF sind weniger wichtig, da die längeren Schaltzeiten immer nicht mehr als ausreichend für die meisten Applikationen sind.

Die durch den Einsatz der Low-ICCT-Analogschalter erzielten Vorteile überwiegen deutlich. Für moderne akkubetriebene tragbare Geräte stellen diese Schalter eine wichtige Ressource dar, da sie beitragen das Budget einzuhalten und eine möglichst lange Batterielebensdauer zu gewährleisten.

Fairchild, Tel. +49(0)8141 6102143

*Travis Williams ist Senior Applications Engineer bei der Analogschaltergruppe von Fairchild Semiconductor in South Portland, USA.

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