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Applikationsprozessoren leisten in Mobilgeräten immer mehr : Ausgabe 20/2016, 08.12.2016

Keine Brownouts in Mobil-Subsystemen

Da Applikationsprozessoren in Mobilgeräten eine immer höhere Performance aufweisen, kommt dem Buck-Boost-Regler, der die Versorgungsspannung stabilisiert, eine erhöhte Bedeutung zu.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Intersil

Die Buck-Boost-Regler verhindern sogenannte Brownouts, ein Zustand, bei dem vorübergehend die Energieversorgung unterbrochen wird. Diese Regler erhöhen während dieser Zeitspanne (die Notching-Periode) die Versorgungsspannung. Wenn die Batteriespannung hoch ist, kann der Buck-Boost-Regler die Anschlussspannung heruntersetzen, um die Leistungsverluste an den Spannungsreglern der folgenden Subsystemen zu vermindern.

Kein Brownout am Versorgungsbus

Alle Mobilgeräte werden mit Batterien betrieben. Diese Batterien haben einen internen Widerstand, durch den es an den Batterieanschlüssen unterschiedliche Spannungssignaturen gibt, sobald bei der Stromentnahme ein hoher Stromstoss erscheint. Die internen Widerstandswerte variieren mit dem jeweiligen Ladungszustand der Batterie. Sie sind am höchsten während eines niedrigen Ladungszustands. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie bei etwa 3,4 V fast völlig entladen ist, kann der interne Widerstand fast 200 mΩ erreichen. Damit ist ein Stromstoss von 4 A in der Lage, an den Batterieanschlüssen einen Spannungsabfall von 800 mV zu erzeugen, wodurch die Busspannung in diesem Fall auf 2,6 V sinken würde. Sofern der Ziel-LDO eine Ausgangsspannung von 2,85 V hat, erreicht der LDO-Eingang den Dropout-Bereich und es erfolgt ein momentaner Brownoutzustand (partieller Stromausfall oder das Notching).

Verbesserung der Systemeffizienz

Die PMICs (Powermanagement ICs) in mobilen Systemen nutzen 20 bis 30 LDOs, die speziellen Subsystemen wie Bluetooth, eMMC-Speicher, Micro-SD-Speicher, WiFi, HF-Transceiver zugeordnet sind. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines Buck-Boost-Umsetzers als Vorregler in der Leistungsversorgung von Mobilgeräten ist die Effizienzverbesserung. LDOs können wegen ihrer hohen Störspannungsunterdrückung (PSRR) ausgeglichene Stromschienenwerte bieten. Aber wegen der linearen LDO-Funktion bei der Spannungsregelung können auch hohe Leistungsverluste auftreten. Dies tritt dann ein, wenn die Batterie komplett geladen ist und die Eingangsspannung im Verhältnis zur Ausgangsspannung hoch ist. LDOs in den PMICs der Mobilgeräte haben Ausgangsspannungen im Bereich von 1,2 bis 3,3 V. Der Spannungsbereich einer Li-Ion-Batterie ist typisch von 4,35 bis 2,5 V, wenn man die dynamischen Leitungs/Last-Transienten berücksichtigt, und wenn auch die Vbat die meiste Zeit bei 3,7 V liegt. Der grosse LDO-Spannungsabfall verursacht exzessive Effizienzverluste. Wenn man aber Buck-Boost-Umsetzer als Vorregler für die PMIC-LDOs benutzt, können die Umsetzer eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Systemeffizienz und der Batterielaufzeit spielen.

Hocheffizienter Buck-Boost-Regler

Intersils hocheffizienter Buck-Boost-Regler ISL91127 kann bei einer Ausgangsspannung von 3,3 V mehr als 2 A liefern, und das bei einer geringsten Batteriespannung von 2,5 V. Der ISL91127 bietet ein besonders gutes Transientenverhalten, um am Ausgang das Notching zu vermeiden. Die Batterielaufzeit mit und ohne Vorregler wurde jeweils aufgezeichnet und verglichen. Mit einem Vorregler konnte die Laufzeit um mehr als 12 % erhöht werden. 

Whitepaper: 20_16.01.pdf

Infoservice

Intersil Americas LLC
1001 Murphy Ranch Road
Milpitas, CA 95035, USA
Tel. 001 408 432 88 88
www.intersil.com



System-Block­diagramm und das Busspannungs- Notching