Power-Tipp Spannungswandlung bei geringer Energieaufnahme

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

In diesem Power-Tipp stellen wir eine neue Klasse von DC/DC-Wandlern vor, die im Ruhemodus einen sehr geringen Strom ziehen. Mit dieser Lösung können Batterie-Schaltungen wesentlich länger betrieben oder Energy Harvester kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden.

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Bild 1: Ein System mit einem Sensor, der ständig mit geringer Energie versorgt wird, um z.B. einen Waldbrand zu erkennen.
Bild 1: Ein System mit einem Sensor, der ständig mit geringer Energie versorgt wird, um z.B. einen Waldbrand zu erkennen.
(Bild: ADI)

Ein wesentliches Merkmal von Spannungswandlern ist die Wandlungseffizienz. Diese liegt bei einem Abwärtswandler zwischen 85 und 95 Prozent und hängt von der Versorgungsspannung, der Ausgangsspannung und dem Laststrom ab.

Viele Anwendungen erfordern jedoch eine besondere Art der Wandlungseffizienz, für welche es spezielle Schaltregler gibt, die optimierte Regler für geringe Ausgangsleistungen benötigen. Batteriebetriebene Systeme, die immer eingeschaltet sind, ziehen im Ruhemodus einen sehr geringen Strom.

Ein Beispiel ist ein Sensor, der Vibrationen von Brücken misst, oder auch Waldbrände in der Natur erkennen soll. Hier ist es wichtig, eine Batterie über lange Zeit wenig zu entladen. Besonders wichtig ist diese Eigenschaft auch bei Systemen, welche von einem Energy Harvester als Energiequelle abhängig sind.

Solche Sensoren sind häufig auch über Funk mit anderen Geräten verbunden. Hierbei sind einzelne, meist durch Energy Harvesting oder mit Batterien versorgte Knotenpunkte miteinander verknüpft, die Signale über viele Knotenpunkte über weite Strecken übertragen.

Die einzelnen Funkknoten müssen ständig in einer Art ‚Ruhemodus‘ nach Signalen suchen und bei einem entsprechenden Signal in einen Betriebsmodus mit höherem Energieverbrauch wechseln um die Signale weiterzuleiten.

Neue Klasse von DC/DC-Wandlern mit geringem Ruhestrom

Bild 2: Der Abwärtswandler LTC3336 erzeugt mit einer Eigenstromaufnahme von 65nA einer Ausgangsspannung von 2,5 V.
Bild 2: Der Abwärtswandler LTC3336 erzeugt mit einer Eigenstromaufnahme von 65nA einer Ausgangsspannung von 2,5 V.
(Bild: ADI)

Eine neue Klasse von DC/DC-Wandlern wird mit dem LTC3336 eingeleitet. Bei geringer Last am Ausgang mit erzeugter Ausgangsspannung, verbraucht er im Ruhemodus nur 65 nA Strom. Bild 2 zeigt eine kompakte Beispielschaltung mit der aus einer Eingangsspannung von ca. 7 V eine Ausgangsspannung von 2,5 V erzeugt wird.

Wie bei derartigen Spannungswandlern üblich, wird die Ausgangsspannung nicht über einen Widerstandsteiler eingestellt. Hierbei würde zu viel Energie verloren gehen. Um dennoch unterschiedliche Ausgangsspannungen einzustellen, werden die Pins OUT0 bis OUT3 verwendet. Je nach Verdrahtung dieser Pins kann die Ausgabespannung in Stufen zwischen 1,2 und 5 V gesetzt werden.

Energy Harvesting: Schutz vor hohen Strömen

In vielen Energy-Harvesting-Anwendungen muss die Energiequelle vor zu hohen Strombelastungen geschützt werden, da manche Batterien oder Harvester nur einen begrenzten Strom liefern. Wird diese spezifische Stromgrenze überschritten, bricht die Spannung ein, oder es entsteht ein Schaden.

Deshalb wird die Stromentnahme vom Spannungswandler limitiert. Der LTC3336 begrenzt den Eingangsstrom in einstellbaren Stufen zwischen 10 und 300 mA. Diese Eingangsstrombegrenzung ist ähnlich wie die Ausgangsspannung durch entsprechende Verschaltung der Pins IPK0 und IPK1 einstellbar.

Bild 3: Die Effizienz einer Wandlung von 7,2 nach 2,5 V liegt selbst bei Lastströmen von nur 1 µA bei ca. 70 Prozent.
Bild 3: Die Effizienz einer Wandlung von 7,2 nach 2,5 V liegt selbst bei Lastströmen von nur 1 µA bei ca. 70 Prozent.
(Bild: ADI)

Das Diagramm in Bild 3 zeigt, welche Effizienzen bei sehr geringen Ausgangsströmen, wie bei 1 µA erreicht werden können. Gerade bei Anwendungen mit langen Betriebslaufzeiten bei geringer Last wird hierbei sehr viel Energie eingespart.

Somit können Schaltungen mit einer festen Batteriegröße wesentlich länger betrieben werden oder Energy Harvester können kleiner und somit kostengünstiger ausgelegt sein.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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