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PMICs mit integrierten DC-DC-Wandlern und spezieller SIMO-Power-Architektur: Ausgabe 06/2019, 04.04.2019

Längere Batterielaufzeit für Mobiles

Es wird erwartet, dass kleine Elektronikgeräte trotz ihrer winzigen Batterien lange Zeit funktionieren. Das ist für Schaltungs-Designer eine grosse Herausforderung. Eine Applikationsschrift von Maxim Integrated zeigt, wie PMICs mit integrierten DC-DC-Wandlern, die mit einer speziellen SIMO-Power-Umformerarchitektur entwickelt wurden, eine lange Batterielaufzeit trotz winzigem Formfaktor bieten können.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Maxim

Ob Ohrhörer oder Smartwatch, von kleinen Elektronikgeräten erwartet man lange Laufzeiten. Dies erzeugt für einen Schaltungsentwickler eine komplexe Situation, denn kleinere Batterien haben offensichtlich weniger Kapazität. Abgesehen von den Performance Erwartungen müssen Stromversorgungen für diese Anwendungen jedoch die unterschiedlichen und vielfältigen Spannungsanforderungen der Subsysteme innerhalb des Designs unterstützen.

Vorteile von Buck-Boost-SIMO- Wandlern
Hier kann ein Schaltregler auf der Basis einer SIMO-Leistungswandlerarchitektur (Single Inductor, Multiple Output) von erheblichem Vorteil sein. Ein Regler mit der Kombination aus einer SIMO-Architektur und niedrigem Ruhestrom kann die Akkulaufzeit für platzkritische Elektronikprodukte signifikant verlängern.
Wie funktioniert nun eine SIMO-Architektur für Buck-Boost-Regler? Wenn man eine herkömmliche Topologie mit mehreren Schaltreglern genauer betrachtet, kann man erkennen, dass jeder Schaltregler eine separate Induktivität benötigt. Da Induktivitäten jedoch physisch gross und auch relativ teuer sind, ist dieser Ansatz für kleine Produkte gewiss nicht die beste Lösung. Lineare Regler sind eine weitere denkbare Option – obwohl sie eine höhere Verlustleistung aufweisen, sind sie jedoch kompakt, schnell sowie rauscharm.

Drei Ausgangsspannungen mit einer Induktivität regeln
Es gibt auch einen hybriden Ansatz, der auf mehreren Low-Dropout-Reglern (LDOs) und DC-DC-Wandlern basiert. Diese Konfiguration bietet zwar eine mittlere Leistungs- und Wärmeabfuhr, erzeugt aber auch ein grösseres Design als LDOs allein. Der Vorteil eines BuckBoost-SIMO-Wandlers besteht darin, dass er bis zu drei Ausgangsspannungen über weite Ausgangsspannungsbereiche mit einer einzigen Induktivität regeln kann.
Die Buck-Boost-Topologie bietet auch bessere Ausgangsspannungsbereiche als eine reine Buck-SIMO. Wenn sich eine oder mehrere Ausgangsspannungen der Eingangsspannung nähern, wird die Schwäche des Buck-only-SIMO vergrössert. An diesem Punkt würde ein Buck-only-SIMO die Induktivität zu lange in Anspruch nehmen, was sich auf die anderen Spannungskanäle auswirkt.
Es gibt Fälle, in denen man eine Induktivität im System nicht vermeiden kann. Obwohl klein, kann ein LDO von sich aus niemals eine Boost-Funktion bieten. Da die SIMO-Architektur nur eine Induktivität benötigt, sind Lösungen, die mindestens eine Boost-Spannung benötigen, mit einem Buck-Boost-SIMO fast immer besser.

Nachteile der SIMO-Architektur
Ein durchdachter Ansatz für das Design mit einer SIMO-Architektur ist entscheidend, um die Auswirkungen von Nachteilen, die bei jeder Methodik natürlich auftreten, zu minimieren. Da eine einzelne Induktivität im Wesentlichen Energiemengen für alternative Ausgänge bereitstellt, ist es nicht verwunderlich, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung eher etwas höher als normal ist.
Hinzu kommt, wenn eine SIMO stark belastet ist, kann sie zeitlich begrenzt werden und es kann zu einer Verzögerung bei der «Belieferung» der einzelnen Kanäle kommen, was die Welligkeit der Ausgangsspannung sicherlich weiter erhöht. Um diese Quellen der Ausgangsspannungswelligkeit auszugleichen, sollte man grössere Ausgangskondensatoren verwenden. Im Vergleich zum Hinzufügen vonInduktivitäten für separate DC-DC-Wandler hat dies immer noch einen Netto-Footprint/ BOM-Vorteil.

SIMO versus konventioneller Architektur
Das Blockdiagramm des Leistungsbaums MAX77650 in der Applikationsschrift zeigt, dass drei der vier Lasten über den hocheffizienten SIMO-Schaltregler mit dem Li+-Akku verbunden werden. Die vierte Last wird durch den LDO von dem 2,05-V-SIMO-Ausgang versorgt und erreicht einen Wirkungsgrad von 90,2 % (1,85/2,05 V). Eine Tabelle im Bericht zeigt einen Vergleich der Leistungsmerkmale zwischen einer konventionellen Architektur und der SIMO-Architektur. Evaluationskits sind sowohl für den MAX77650 als auch für den MAX77651 verfügbar.
Um die mit den SIMO-Parametern verbundenen Kompromisse zu untersuchen, steht Interessenten auf der Web-Produktseite des
MAX77650 ein SIMO-Rechner zur Verfügung. Der Taschenrechner ist ein tabellenbasiertes Werkzeug. Man gibt einfach die Systemparameter in die entsprechende Wertezelle im oberen Bereich der Zeilen auf der Registerkarte Rechner ein. Das Tool markiert gelb die berechneten Werte, die wohl als die interessantesten gelten. Wenn das Tool feststellt, dass ein Parameter ausserhalb des normalen Bereichs liegt, markiert das Werkzeug die Zelle rot. Der Kommentarbereich enthält Anleitungen, wie sich ein Design verbessern lässt.

Applikationsbericht: 06_19.01.pdf

Quik-Link: Einführungsvideo  www.polyscope.ch/2019/maxim

 

Infoservice
Maxim Integrated
Landsberger Str. 300, DE-80687 München
Tel. 0049 800 182 49 43 www.maximintegrated.com