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Ein Markt mit immensen Wachstumsprognosen: Ausgabe 16/2018, 10.10.2018

Mobile Produkte sicher versorgen

Wir alle kennen Batterien, und man findet sie in vielen Produkten und Applikationen. Hierzu gehören z.B. Mobiltelefone und Notebooks; man findet sie aber auch in Blitzgeräten, schnurlosen Werkzeugen, MP3-Playern, portablen Videospielgeräten, Handheld-DMM und in wissenschaftlichen Messgeräten sowie in der stark zunehmenden Zahl an Geräten für die Gesundheitsvorsorge.

Autor: Tony Armstrong, Director or Product Marketing, Power Products, Linear Technology, Text und Bilder

Bei diesen zahlreichen, unterschiedlichen Anwendungen überrascht es nicht, dass der Weltmarkt für batteriebetriebene Produkte im Jahr 2011 bei 480 Mrd. Dollar lag und 2016 bei über 611 Mrd. Dollar (BCC Research). Und er wird bis 2020 und darüber hinaus weiterwachsen. Den Markt kann man grob in folgende Segmente einteilen:
■ 29% für Kommunikationsprodukte
■ 29% für Computer und ähnliche Produkte
■ 19% für Medizinprodukte
■ 23% für Kameras, Spielzeug, Entertainment, Uhren, Beleuchtung, Navigation und militärische Produkte
Diese Vielfalt rührt her aus der einzigartigen Synergie zwischen den batteriebetriebenen Produkten, den Ladegeräten und den Power Management-Systemen, die die Batterien wieder aufladen.

Batterienchemie und Applikationen
Der Markt für batteriebetriebene Produkte ist wichtig, wie steht es aber um die verschiedenen Batterietypen? Dominierend sind Lithium-basierte Typen, die 2016 weltweit rund 22,5 Mrd. Dollar ausmachten (Frost & Sullivan). Dabei machen Nordamerika und China mehr als die Hälfte aus. Und die Nachfrage wird weiter beschleunigt durch die steigende Nachfrage von Anwendern an die Lieferanten von Konsumgütern, von Industriegütern, von Netzwerken, von Speichern für erneuerbare Energie und von Automobilen. Innerhalb des Industriesegments untermauern Applikationen wie Gesundheitsvorsorge, schnurlose Werkzeuge und Militär den führenden Anspruch der Lithium-Ionen-Batterien.
Die typische Entladekurve einer LithiumIonen-Batterie geht von 4,2 V im geladenen Zustand runter auf 2,7 V bei völliger Entladung. Damit ist sie die erste Wahl für Smartphones und MP3-Player, aber auch geeignet für portable wissenschaftliche Messgeräte, schnurlose Werkzeuge und Geräte für die Gesundheitsvorsorge. Dort werden Mehrfachzellen für eine lange Laufzeit benötigt, d.h. zwei bis vier Zellen in Serie oder in Parallelschaltung oder auch kombiniert. Damit ergibt sich ein Spannungsbereich von 16,8 bis 10,8 V (4 Lithiumzellen in Serie) oder von 8,4 bis 5,4 V (2 Lithiumzellen in Serie).

Wandlung der Batteriespannung,  Layoutüberlegungen
Eine der ersten Anforderungen an DC/DCWandler ist eine grosse Leistungsdichte, die mit der zunehmenden Funktionsdichte der Elektronik mithalten muss. Ebenso spielt die Leistungsaufnahme eine grosse Rolle bei den aktuellen dicht gepackten und umfangreichen Geräten, die hocheffiziente sein müssen und die sich nicht zu stark erwärmen sollen.
In Applikationen, in denen die Eingangsspannung über oder unter der geregelten Ausgangsspannung liegen kann, ist es schwierig, eine effiziente kompakte Lösung zu finden, besonders bei hohen Leistungspegeln. Konventionelle Designs wie z.B. SEPIC-Wandler mit zwei Induktivitäten haben geringe Effizienz und sind gross. Wie bereits erwähnt, benötigen leistungshungrige Handheld-Geräte, Medizingeräte und industrielle Messinstrumente oft Mehrzellenbatterien oder Batterien mit hoher Kapazität, um die weiter zunehmenden Prozessanforderungen zu erfüllen. Viele Lasten benötigen eine geregelte Versorgung, die zum Batteriespannungsbereich passt und deren Wandler Spannungen aufwärts und abwärts regeln kann. Wenn auch ein SEPIC-Wandler eine mögliche Lösung ist, seine Grösse und nur moderate Wandlungseffizienz lassen ihn weniger geeignet erscheinen für portable Produkte. Deshalb ist ein hocheffizienter Buck-Boost-DC/DC-Wandler mit breitem Spannungsbereich die ideale Lösung für längere Batterielaufzeiten und die Versorgung aus mehreren Quellen.

Instabile Schaltverläufe bereiten Probleme
Aus Sicht des Stromversorgungsdesigners wäre es toll, wenn ein Prototypenboard nicht nur auf Anhieb laufen würde, sondern auch leise und kühl. Leider passiert das nicht immer. Ein gemeinsames Problem aller Schaltnetzteile sind unstabile Schaltverläufe. Manchmal ist der Jitter so stark, dass er von den magnetischen Bauteilen ausgehend hörbar wird. Liegt das Problem im Leiterplatten-Layout, wird dessen Lösung schwierig. Deshalb ist ein perfektes Layout von Anfang an wichtig und seine Wichtigkeit darf nicht übersehen werden. Natürlich versteht jeder Stromversorgungsdesigner die technischen Details und Funktionsanforderungen im Endprodukt und arbeitet am kritischen Layout von Anfang an eng mit dem Leiterplattenlayout zusammen. Mit einem guten Layout optimiert man die Effizienz, entschärft man thermischen Stress und besonders wichtig, man minimiert Geräusche und Interaktionen zwischen Leitungszügen und Komponenten. Um dies alles zu erreichen, muss der Designer die stromtragenden Pfade kennen und den Signalfluss im Schaltnetzteil.

Es braucht Kupferfläche für die  Wärmeabfuhr
In einem Design ohne externen Kühlkörper für SMT-Power MOSFETs und Spulen ist es erforderlich, genügend Kupferfläche zur Wärmeabfuhr zu haben. Für einen DC-Spannungsknoten wie an der Eingangs- und Ausgangsspannung und an der Masse, muss diese Fläche so gross wie möglich sein. Zur weiteren Reduzierung von thermischem Stress sind Mehrfachvias nützlich. Für Schaltknoten mit hohem dv/dt muss bei der Größe dessen Kupferfläche abgewogen werden zwischen dem Rauschen abhängig vom dv/dt und einer guten Wärmeabfuhr für die MOSFETs.
Schliesslich  muss die Steuerschaltung weg von der rauschenden Schaltbereichs-Kupferfläche platziert werden. Es wird empfohlen, sie nahe dem Vout+-Bereich bei einem Buck Konverter und nahe dem Vin+-Bereich bei einem Boost Konverter zu platzieren, dort wo ständig Strom fliesst. Wenn es der Platz erlaubt, sollte der Steuer-IC nicht sehr nahe zu den Power MOSFETs und Spulen angebracht werden, da diese rauschen und warm werden. Ist das nicht möglich, muss auf eine Isolation der Steuerschaltung von den Leistungskomponenten mit Masseflächen geachtet werden. 

Optimierung der Wandlerlösung
Hat man Lösungen, die die Risiken einer umständlichen Schaltung wie die eines SEPIC Konverters minimieren, ist man im Vorteil. Besonders wenn es darum geht, eine feste Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung zu erzeugen, die über, unter oder gleich der Ausgangsspannung ist. Optimiert man das Design und integriert die Leistungs-MOSFETs zu einer kompakten hocheffizienten Lösung, ist das der bessere Ansatz. Glücklicherweise bietet Linear Technology einige neue Wandlerlösungen an, die alles dies bieten.
Der LTC3119 ist ein synchroner CurrentMode Buck-Boost-Konverter, der als Abwärtswandler kontinuierlich einen Ausgangsstrom von 5 A liefert. Dies aus einer Vielzahl von Quellen an Eingang einschliesslich Ein- und Mehrzellenbatterien, unregulierten Steckernetzteilen, Solarzellen und Supercaps. Für gepulste Lasten kann ein noch höherer Ausgangsstrom geliefert werden. Der breite Eingangsspannungsbereich von 2,5 bis 18 V wird nach dem Einschalten nach unten bis zu 250 mV erweitert. Die Ausgangsspannung ist geregelt an Eingangsspannungen, die über, unter oder gleich der Ausgangsspannung sind und programmierbar von 0,8 bis 18 V. Im vom Anwender einstellbaren Burst Mode ist der Ruhestrom nur 31 μA und die Effizienz an leichten Lasten ist verbessert, was die Batterielaufzeit verlängert.

Geringes Rauschen und Jitterfreies Schalten
Mit der proprietären 4-Schalter-PWM-BuckBoost-Topologie im LTC3119 wird in allen Betriebsarten geringes Rauschen und jitterfreies Schalten erreicht. Damit ist das Bauteil ideal für HF- und analoge Zräzisionsapplikationen geeignet, die empfindlich sind gegen Rauschen aus der Stromversorgung. Der IC verfügt über programmierbare Maximum Power Point Control (MPPC), die sicherstellt, dass die maximale Energielieferung aus Stromquellen mit hoher Impedanz einschliesslich von Solarzellen erfolgt. Der LTC3119 enthält für hohe Effizienz bis 95 % vier interne N-Kanal MOSFETs mit geringem RDSON. Der Burst Mode kann abgeschaltet werden, was kontinuierlichen Betrieb mit geringem Rauschen bewirkt.
Eine interne PLL, die auf externe Frequenzen programmiert oder synchronisiert werden kann, arbeitet im breiten Taktfrequenzbereich von 400 kHz bis 2 MHz, damit kann man zwischen Effizienz und Grösse der Lösung abwägen. Zu den weiteren Merkmalen zählt Kurzschlussschutz, Schutz vor thermischer Überlast, geringer Strom von 3 μA im abgeschaltetem Zustand und ein Power-Good Indikator. Die Kombination aus kleinen externen Komponenten, breitem Betriebsspannungsbereich, kompaktem Gehäuse und geringem Ruhestrom eignet den LTC3119 gut für HF-Leistungsstromversorgungen, gepulste Lasten, Backup-Versorgungen und sogar für Bleibatterien in 12-V-Wandlersystemen. Viele portable Systeme arbeiten an einer Vielzahl von Quellen am Eingang, einschliesslich Ein- und Mehrzellenbatterien, unregulierte Steckernetzteilen, Solarzellen und Supercaps.

Monolithischer Buck-Boost-Wandler
Ein weiteres Mitglied aus der LTC3119-Familie ist der LTC3118, ein monolithischer BuckBoost-Wandler mit integriertem verlustarmen PowerPath und Zweifachausgang. Er liefert bis zu 2 A kontinuierlich und integriert die Intelligenz, um automatisch zur passenden Eingangsquelle umzuschalten und liefert dabei nahtlos einen geregelten Ausgang.
Jeder Eingang kann an 2,2 bis 18 V arbeiten, der Ausgang kann dann für Spannungen von 2 bis 18 V programmiert werden und eignet den IC so für viele Applikationen. Der LTC3118 verwendet eine rauscharme CurrentMode-Buck-Boost-Topologie mit fester Taktfrequenz von 1,2 MHz. Sein spezielles Design liefert einen kontinuierlichen Jitter-freien Übergang zwischen Buck- und Boost-Mode. Er eignet sich so ideal für HF und andere rauschempfindliche Applikationen. Die Kombination der kleinen externen Komponenten mit dem 4 × 5 mm QFN- oder TSSOP-28E-Gehäuse bietet eine kompakte Lösung mit geringem Platzbedarf.
Der LTC3118 enthält für eine gute Effizienz von bis zu 94 % an jedem Eingang vier interne N-Kanal MOSFETs mit geringem RDS(ON). Der vom Anwender wählbare Burst Mode reduziert den Eingangsruhestrom auf nur 50 μA, er erhöht die Effizienz an leichten Lasten und verlängert so die Batterielaufzeit. In rauschempfindlichen Applikationen kann der Burst Mode abgeschaltet werden, der IC arbeitet dann mit fester Frequenz rauscharm, unabhängig vom Laststrom. Weitere Merk- male sind Soft-Start, Kurzschlussschutz, Schutz vor thermischer Überlast und Überspannung sowie Ausgangsabschaltung.

Fazit Für batteriebetriebene Produkte wurden unterschiedliche Stromversorgungs-Designs gezeigt. Systemdesigner sehen sich bei der Wahl der passenden Wandlerlösung, die alle Kriterien berücksichtigt einschliesslich der Überwindung von Einschränkungen beim Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung, herausgefordert. Auch wurden Leistungsanforderungen und vereinfachtes Design angesprochen ohne Kompromisse bei der Effizienz, der Batterielaufzeit und der Grösse der Lösung.
Eine Lösung zu entwickeln, die alle Ziele erfüllt, ohne die Leistung zu mindern, ist eine Herausforderung. Glücklicherweise gibt es eine zunehmende Zahl von Buck-BoostKonverterlösungen von Linear Technology, welche das Design vereinfachen, klassenbeste Merkmale bieten und die Laufzeit zwischen den Ladezyklen maximieren, dank hocheffizientem Betrieb an breitem Lastenbereich

Infoservice
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Die Beschaltung des LTC3119 verdeutlicht den hohen Integrationsgrad


Beschaltung des LTC3118 mit der Leistungspfadselektion zwischen zwei Eingängen