In diesem Kapitel lernen Sie die Grundlagen des Energiemanagements kennen, einschließlich der für verschiedene Anwendungen erforderlichen Schaltungstypen. Sie erfahren außerdem, was ein integrierter Schaltkreis für das Energiemanagement (PMIC) ist und warum die vielseitigen PMICs von heute verschiedene Arten von Spannungsreglern ersetzen können.

         
Beherrschen Sie die Grundlagen der Stromversorgung.
     

Die Art des Gleichstrom-Energiemanagementsystems, das ein bestimmtes Gerät oder elektronisches System benötigt, hängt von dessen Stromquelle ab. Mögliche Stromquellen sind Wechselstrom, Batterien, Gleichstrom und Gleichstrom mit extrem niedriger Leistung (Energiegewinnung). Die meisten batteriebetriebenen Elektronikgeräte verwenden Lithium-Ionen- (Li-Ion) oder Lithium-Polymer-Akkus (LiPo). Ein Akku kann mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Zellen enthalten. Abbildung 1-1 zeigt einige Beispiele.

Hier die Spannungs- und Stromkennwerte für jede Anschlusskonfiguration:

• SerienzellenEs kann die Spannung des Akkus erhöhen und die Kapazität des gesamten Akkus steigern.

• Batterien parallelEs kann die Spannung des Akkupacks nicht erhöhen, aber es verbessert die Stromregelungsfähigkeit und die Stromkapazität des gesamten Akkupacks.

• Reihen- und ParallelbatterienEs kann gleichzeitig die Spannungs- und Stromregelungsfähigkeit sowie die Strombelastbarkeit verbessern.

         

In manchen batteriebetriebenen Anwendungen können Systemkomponenten die Batterieleistung nicht direkt nutzen. Diese Komponenten benötigen unter Umständen eine niedrigere oder höhere Spannung für den ordnungsgemäßen Betrieb. Auch während des Lade- und Entladevorgangs ändert sich die Batteriespannung. Ein DC/DC-Wandler kann eingesetzt werden, um diese ungeregelte Batteriespannung zu überwachen und zu stabilisieren. Diese Wandler werden oft als Spannungsregler bezeichnet, da sie die Spannung je nach Bedarf erhöhen, verringern oder regeln können (siehe Abbildung 1-2) und die angepasste Spannung dann an die Systemkomponenten weiterleiten.

DC/DC-Wandler sind in isolierten und nicht isolierten Ausführungen erhältlich, je nachdem, ob die Eingangsmasse mit der Ausgangsmasse verbunden ist:

• Isolierter WandlerWird zur Trennung von Eingangs- und Ausgangsspannungen verwendet, typischerweise mittels Transformatoren oder kapazitiver Energieübertragung.

• Nicht isolierter WandlerEs gibt einen Gleichstrompfad, der die Eingangsmasse und die Ausgangsmasse verbindet, und die Eingangs- und Ausgangsmasseanschlüsse werden gemeinsam genutzt.

         

Klassifizierung von DC/DC-Spannungsreglern
     

Gleichspannungsregler werden anhand des verwendeten Spannungswandlungsverfahrens in zwei Kategorien unterteilt: Linearregler und Schaltregler. Diese beiden grundlegenden Reglertypen werden in elektronischen Geräten wie Kameras, Mobiltelefonen, Wearables und Computern eingesetzt. Entwicklungsingenieure wählen den passenden Gleichspannungsregler für ihr Systemdesign anhand der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der erforderlichen Strombelastung aus.

Linearregler
   

Linearregler wandeln die Eingangsspannung (V) um_IN) wandelt in unterschiedliche Ausgangsspannungen (V) um_OUT), unter Verwendung eines linearen Bauteils (d. h. eines Widerstands) zur Regelung der Ausgangsspannung V_OUTAllgemeine Eigenschaften von Linearreglern:

• Elektrische Energie ableiten.

• Zur Verwendung mit Niedrigstrom- und Niedrigleistungsschienen.

• Nicht effizient.

• Für rauscharme Netzteile.

• Die geringe Restwelligkeit und das geringe Rauschen machen es geeignet für empfindliche analoge integrierte Schaltungen wie Sensoren, Phasenregelschleifen usw.

Bei Linearreglern ist der Low-Dropout-Linearregler (LDO) ein wichtiger Typ. in V_INund V_OUTBei sehr kleinen Differenzen kann der LDO kontinuierlich eine stabile Spannung ausgeben._OUT.

Schaltspannungsregler
   

Ein Schaltregler wandelt V über ein Schaltelement um._INzu einem anderen V_OUTund verwenden Sie externe Induktivitäten und Kondensatoren, um die Ausgangsspannung V zu stabilisieren._OUTSchaltregler sind im Allgemeinen effizienter und unterstützen höhere Ausgangsströme als Linearregler. Allerdings tritt nach der Regelung des Ausgangssignals, selbst nach der Filterung, immer noch Restwelligkeit oder Schaltrauschen auf.

Entsprechend dem Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung werden Schaltregler wie folgt klassifiziert:

• Abwärts-Schaltregler: V_OUT unterhalb V_IN

• Aufwärtswandler: V_OUT über V_IN

• Buck-Boost-Schaltregler: V_OUT Variable, kann unter, über oder gleich V sein._IN

Die oben genannten vier Spannungsregler-Topologien werden häufig von Entwicklungsingenieuren verwendet: LDO-Regler und drei Schaltregler (Abwärts-, Aufwärts- und Abwärts-/Aufwärtswandler). In den folgenden Abschnitten werden wir diese vier Spannungsregler detailliert vorstellen.

LDO-Spannungsregler
   

Ein Low-Dropout-Linearregler (LDO) ist ein Gleichstrom-Linearregler, der die Ausgangsspannung regelt, wenn Versorgungsspannung und Ausgangsspannung sehr nahe beieinander liegen. Bei LDOs sollte der Spannungsabfall so gering wie möglich sein, um die Verlustleistung zu minimieren und den Systemwirkungsgrad zu maximieren (siehe Abbildung 1-3).

         

LDOs weisen typischerweise ein höheres Versorgungsspannungsunterdrückungsverhältnis (PSRR) als Schaltregler auf, wodurch sie eine rauscharme Ausgangsspannung erzeugen können. LDOs erzeugen im Allgemeinen keine Restwelligkeit und eignen sich hervorragend zur Reduzierung von Eingangsspannungsrauschen oder -restwelligkeit. Ihr geringer Standby-Stromverbrauch macht sie zu einer ausgezeichneten Lösung für tragbare und drahtlose Anwendungen.

Abwärtswandler
   

werden auf dieser Seite erläutert Bock„Abwärtswandler“ bedeutet „senken“ oder „schwächen“. Der Abwärtswandler ist ein reduzierter Schaltregler, der effizient Spannungen unterhalb von V_GS ausgibt._IN 的 V_OUTEin Abwärtswandler (Buck-Wandler) besteht aus einer Induktivität, einem Schalt-Feldeffekttransistor (FET) oder einer Diode, einem Kondensator und einem Fehlerverstärker mit einer Schaltsteuerung (siehe Abbildung 1-4). Der Abwärtswandler ändert die Einschaltzeit eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) und versorgt den Sensor anschließend mit Strom. Abwärtswandler weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, da der MOSFET entweder vollständig eingeschaltet oder vollständig ausgeschaltet ist. Zwischen den beiden Zuständen (Ein- und Aus-Zustand) arbeitet der Abwärtswandler – anders als ein Linearregler – nicht.

         

Der Abwärtswandler erzeugt Schaltsignale im Pulsweitenmodulations- (PWM) oder Pulsfrequenzmodulationsmodus (PFM), die anschließend mithilfe externer Induktivitäten und Kondensatoren gefiltert werden, um eine glatte Ausgangsspannung V zu erzeugen._AUS.Dieses Spannungswandlungsverfahren ist sehr effizient und kann die Batterielebensdauer verlängern, die Systemwärme reduzieren und die Produktgröße verringern.

Abwärtswandler werden in vielen Anwendungen eingesetzt, die Strom über USB und andere Computerperipheriegeräte beziehen. Sie finden auch Verwendung in Smartphones, Tablets, Mobilgeräten und vielen anderen elektronischen Geräten.

Schnellumrechner
   

Boost Hier bedeutet es „verbessert“. Der Aufwärtswandler wandelt V um._INsteigt und erzeugt V_OUTWenn Sie beispielsweise eine Gleichspannung von 3.3 Volt in eine Ausgangsspannung von 5.0 Volt umwandeln möchten, …_OUTEin Aufwärtswandler wäre hilfreich. Diese Aufwärtswandlerfunktion ist in vielen Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterieanwendungen üblich.

Eine Aufwärtswandlerschaltung enthält die gleichen Bauteile wie eine Abwärtswandlerschaltung (Spule, Schalt-Feldeffekttransistor [FET] oder Diode, Kondensator, Fehlerverstärker mit Schaltsteuerung), weist jedoch andere Verbindungen auf. Die Aufwärtswandlerschaltung arbeitet ebenfalls, indem sie die Einschaltzeit des MOSFET steuert, um die Spule mit Leistung zu versorgen (siehe Abbildung 1-5).

         

Buck-Boost-Wandler
   

Ein Aufwärts-/Abwärtswandler ist ein Schaltregler, der Abwärts- und Aufwärtswandlung in einem einzigen Regler vereint. Er kann einen breiten Bereich an Eingangs- und Ausgangsspannungen verarbeiten. Die Steuerschaltung passt die Schaltzeit des MOSFETs an, reduziert oder erhöht die Eingangsspannung und erzeugt die benötigte Spannung V._OUT(Wie in Abbildung 1-6 dargestellt).

         

Neben dem in Abbildung 1-6 dargestellten Standard-Aufwärts-/Abwärtswandler gibt es weitere Wandlertypen wie Sepic, Cuk und Zeta. Diese Wandler können die Spannung V regeln._OUTwodurch es kleiner, größer oder gleich V wird._IN.

Einführung in integrierte Schaltungen für das Energiemanagement
     

PMICs sind integrierte Schaltkreise, die zur Spannungswandlung, Spannungsstabilisierung und zum Batteriemanagement eingesetzt werden. Sie können die Sequenzierung von Stromversorgungssystemen steuern, verschiedene Verbraucher versorgen und Schutz vor Überspannung, Unterspannung, Überstrom, thermischen Fehlern und mehr bieten.

Ein einzelner PMIC kann mehrere externe Stromversorgungen verwalten und unterschiedliche Systemanforderungen der entsprechenden Reglerausgangsspannung zuordnen. Er kann zudem in einer Vielzahl von Prozessoren, Systemsteuerungen und Endanwendungen eingesetzt werden, indem lediglich die entsprechenden Registereinstellungen oder die Firmware geändert werden, ohne dass ein neuer integrierter Schaltkreis (IC) entwickelt werden muss.

Der PMIC-Markt wächst aufgrund mehrerer aktueller Trends rasant. Ein Trend ist das Bestreben der Verbraucher nach drahtloser Mobilität, was zu einer hohen Nachfrage nach kleinen, batteriebetriebenen Geräten geführt hat. Dies wiederum erfordert stärker integrierte Energiemanagementlösungen, wie in Abbildung 1-7 dargestellt. Diese Abbildung zeigt, wie die PMIC-Lösung von Qorvo die Anzahl der Komponenten und die Gesamtgröße der Lösung deutlich reduziert.

         

Gleichzeitig fordern Verbraucher und Hersteller zunehmend energiesparende, umweltfreundliche Produkte mit reduziertem CO₂-Ausstoß. Der globale Trend zu mehr Nachhaltigkeit hat die Nachfrage nach Elektronikprodukten mit effizientem Energiemanagement erhöht und dieses zu einem wichtigen und gefragten Ausstattungsmerkmal gemacht.

All-in-One PMIC
     

Ein wichtiger Grund für die weite Verbreitung moderner PMICs liegt darin, dass sie viele oder sogar alle Spannungsregelungsfunktionen einer Anwendung übernehmen können (siehe Abbildung 1-8). Diese vielseitigen PMICs lassen sich per Firmware für unterschiedlichste Anwendungen anpassen, wodurch die hohen Kosten für Hardwareänderungen entfallen. Dank dieser Eigenschaften können sie problemlos zwischen verschiedenen Anwendungen wechseln, was die Markteinführungszeit verkürzt.

         

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