Spannungsregler für IoT- und mobile Geräte

Stromversorgungen und Energiemanagementsysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Verlängerung der Akkulaufzeit und Leistung mobiler Geräte. Als ein kritischer Teil dieser Systeme ist ein Spannungsregler darauf ausgelegt, die Ausgangsspannung einer Stromversorgung auf einem konstanten Wert zu halten. Es gibt eine Reihe von Punkten, die bei der Auswahl eines Spannungsreglers für ein mobiles oder IoT-Gerät zu berücksichtigen sind. Während dies oft einen Kompromiss zwischen Rauschen, thermischem Management und Abweichungen von der Regelung erfordert, kann das richtige Gleichgewicht zwischen diesen Punkten helfen sicherzustellen, dass Ihr nächstes mobiles Gerät wie gewünscht funktioniert.

Gewünschte Funktionalität des Spannungsreglers

Jeder Spannungsregler muss einige spezifische Funktionen bereitstellen. Zuerst muss der Regler die Spannung zwischen der Batterie und verschiedenen Unterschaltkreisen im Gerät hoch- oder herunterregeln. Die Hochregelfunktion wird von Hochspannungsgeräten wie OLEDs benötigt, während die Herunterregelfunktion den Stromverbrauch digitaler CMOS-Schaltkreise reduziert. Dies ermöglicht eine längere Akkulaufzeit und neue Funktionen wie zusätzliche Kameras und haptisches Feedback, ohne einen signifikanten Einfluss auf die Batteriegröße zu haben.

Rauschmanagement und Leistungsisolation sind in mobilen Geräten entscheidend, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Moderne RF-Modulationsschemata für Gbps-Datenraten stellen strenge Anforderungen an Verzerrung und Interferenzartefakte. Diese erfordern, dass allen Rauschquellen, insbesondere dem geleiteten und abgestrahlten EMI aus der Stromversorgung, besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird.

In Bezug auf die Leistungsisolation sollte ein guter Spannungsregler auch verhindern, dass Änderungen in der Ausgangsspannung der Batterie transiente Signale durch den Ausgang übertragen (wie die, die von einem gepulsten RF-Leistungsverstärker eingeführt werden), wodurch nachgeschaltete Schaltkreise beeinflusst werden. Schließlich muss jeder Spannungsregler für jedes mobile Gerät, ob es sich um ein Smartphone, tragbares Gerät, IoT oder anderes Gerät handelt, einen kleinen Fußabdruck und niedrige Kosten haben, während er die Akkulaufzeit verlängert.

Topologien von Spannungsreglern

Lineare Regler: Diese bestehen typischerweise aus einem Referenzspannungsgenerator, Fehlerverstärker, Leistungstransistor, resistivem Teiler zur Überwachung der Ausgangsspannung und Entkopplungskondensator, um die Spannung auf einem Strombus stabil zu halten. Low-Dropout (LDO)-Regler, die auf pnp- und pFET-Transistoren basieren, zeigen unterschiedliche Ruhestromcharakteristiken während des Dropouts, abhängig von der Transistorpolarität. pFET-Transistoren ziehen praktisch keinen Strom und zeigen keinen Ruhestromanstieg während des Dropouts, während nFETs einen Anstieg des Ruhestroms zeigen, wenn die Eingangsspannung steigt und sich der Ausgangsspannung nähert.

Die Vorteile oder linearen Wandler sind ihr niedriges Rauschen und Ripple, kleine bis mittlere Größe und ihre geringe Komplexität und Kosten. Die Nachteile beinhalten nur Abwärtsregelung und sie haben eine niedrige bis mittlere Effizienz, obwohl dies von dem Laststrom, der Batteriespannung und der Wärmeableitung abhängt.

Ein linearer Regler. Abbildung in den Grundlagen von LDO-Design und Anwendungen. Verfügbar von Analog Devices

Geschaltete Kondensatorregler: Auch als Ladungspumpenwandler bezeichnet, nutzen diese Kondensatoren und mehrere Schalter, um eine Ausgangsspannung zu liefern, die höher oder niedriger als die Eingangsspannung ist. Sie speichern und übertragen Energie vom Eingang zum Ausgang in einem fliegenden Kondensator, der mit digitalen Schaltern verbunden ist.

Die Vorteile von Ladungspumpenwandlern umfassen hohe Effizienz und niedrige abgestrahlte EMI im Vergleich zu anderen Spannungsreglern. Dies ist auf die Verwendung eines Kondensators zur Energiespeicherung und -übertragung zurückzuführen, was den Einsatz von Soft-Switching-Techniken zur Steuerung der digitalen Schalter ermöglicht. Diese Wandler verwenden kein Feedback zur Regelung, sondern verlassen sich stattdessen auf den Tastverhältniszyklus der Schaltperiode, um Änderungen in der Ausgangsspannung zu kompensieren. Diese Regler sind in der Regel auf Anwendungen mit geringer Leistung beschränkt.

Schaltbilder des geschalteten Kondensatorreglers und Ein-/Ausgangswellenformen

Schaltregler: Diese Regler können die Eingangsspannung erhöhen (Boost) oder verringern (Buck); sie sind auch in der Lage, deren Polarität zu invertieren. Der typische Buck-Boost-Wandler besteht aus einem Schaltnetzwerk, das ein AC-Signal erzeugt, einem Tiefpassfilter, der die DC-Komponente dieses Signals zum Ausgang durchlässt, und einem Feedback-Netzwerk, um die Ausgangsspannung durch Ändern des Tastverhältnisses oder der Frequenz des AC-Signals zu regeln.

Die Ausgangsspannungscharakteristika eines Schaltreglers hängen weitgehend von der Qualität des Tiefpassfilters ab, der als LC-Schaltung implementiert ist. Das Rauschen der Ausgangsspannungsrippel und die Effizienz des Reglers hängen weitgehend von der Größe der Induktivität ab, wobei größere Induktivitäten das Rauschen reduzieren und die Schaltungseffizienz aufgrund ihrer größeren Energieverluste durch ihren äquivalenten Serienwiderstand verringern. Diese Reglerschaltungen verschwenden weniger Wärme, sind aber im Allgemeinen komplexer, größer und teurer als ihre linearen Gegenstücke.

Die Kombination von linearen und schaltmodusreglern ist eine gängige Technik zur Erzeugung mehrerer Versorgungsspannungen in einem mobilen Gerät. Der Entwickler der Stromversorgung muss die Eigenschaften der Stromquelle (Batterie) und Last berücksichtigen, um die optimale Schaltungslösung für einen bestimmten Teil-Schaltkreis auszuwählen. Beispielsweise, da die Prozessoren mobiler Geräte mit fortschreitend feinerer Transistorarchitektur (10 nm oder weniger) hergestellt werden, was ihre Versorgungsspannungs- und Stromanforderungen reduziert, wird der Ruhestrom des Reglerkreises ein größerer Prozentsatz des Laststroms und hat einen größeren Einfluss auf die Schaltungseffizienz.

Spannungsregler für mobile Produkte

Maxim Integrated, MAX8863

Der lineare Spannungsregler MAX8863 bietet eine zuverlässigere Versorgungsspannung (2,5 V bis 6,5 V) mit bis zu 120 mA Ausgangsstrom in einem miniaturisierten 5-Pin-SOT23-Gehäuse. Das Gerät verwendet einen PMOS-Durchgangstransistor, wodurch der 80 µA Versorgungsstrom unabhängig von der Last bleibt. Diese Geräte eignen sich ideal für batteriebetriebene tragbare Geräte wie Mobiltelefone oder andere IoT-Geräte, die mit einer Vielzahl von Signalstandards arbeiten. Ein externes Widerstandsnetzwerk kann auch verwendet werden, um die Ausgangsspannung einzustellen:

Die Geräte verfügen über einen Dual-Mode^™-Betrieb: Ihre Ausgangsspannung ist voreingestellt... oder kann mit einem externen Widerstandsteiler angepasst werden. Weitere Merkmale sind Abschaltung bei geringer Leistung, Kurzschlussschutz, thermischer Abschaltungsschutz und Schutz vor umgekehrter Batteriepolung. [Aus dem MAX8863-Datenblatt]

Der MAX8864, eine Variante des MAX8863, umfasst auch eine Auto-Entladefunktion. Diese Funktion entlädt aktiv die Ausgangsspannung auf Masse, wenn das Gerät in den Abschaltmodus versetzt wird.

Funktionsblockdiagramm, von Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Jeder liebt es, Selfies zu machen, und viele Menschen müssen über ihre Laptops Videokonferenzen führen. Diese Aktivitäten und Geräte, die LEDs intensiv nutzen, benötigen einen Spannungsregler, der eine stabile Ausgabe für diese speziellen Komponenten liefern kann. Der geschaltete Kapazitätsregler MAX1576 ist konzipiert, um die Hintergrundbeleuchtung und den Kamerablitz mit bis zu 8 weißen LEDs in mobilen Geräten zu regulieren (24-Pin dünnes QFN, 4 mm x 4 mm Gehäuse). Vier LEDs können mit bis zu 30 mA für die Hintergrundbeleuchtung betrieben werden, während die verbleibenden vier LEDs in der Blitzgruppe mit bis zu 100 mA pro LED gepulst werden können:

Der MAX1576 verwendet zwei externe Widerstände, um die Haupt- und Blitz-LED-Vollskalenströme (100%) einzustellen. Vier Steuerpins werden für die LED-Dimmung entweder durch serielle Steuerung oder 2-Bit-Logik pro Gruppe verwendet. ENM1 und ENM2 stellen die Haupt-LEDs auf 10%, 30% oder 100% der Vollskala ein. ENF1 und ENF2 stellen die Blitz-LEDs auf 20%, 40% oder 100% der Vollskala ein. Zusätzlich können entweder Paare von Steuerpins für die einadrige, serielle Pulsdimmersteuerung zusammengeführt werden.

Pin-Diagramm und Beispielkreis mit dem MAX1576 Schaltkapazitätsregler (aus dem MAX1576-Datenblatt)

Analog Devices, LT1738

Der LT1738 Schaltregler von Analog Devices ist ein DC/DC-Controller mit gesteuerter Anstiegsrate und extrem niedrigem Rauschen. Schaltregler sind bekannt dafür, aufgrund des PWM-Schaltsignals ziemlich laut zu sein, aber der LT1738 verwendet kontrollierte Spannungs- und Stromanstiegsraten in einem externen N-Kanal-MOSFET-Schalter. Dieses Gerät emittiert deutlich weniger intensives abgestrahltes Rauschen als andere Schaltregler mit ähnlicher Leistung und Größe, was es zu einer ausgezeichneten Wahl für den Einsatz in neuen mobilen Geräten und IoT-Geräten macht.

Strom- und Spannungsanstiegsraten können unabhängig eingestellt werden, um den harmonischen Inhalt der Schaltwellenformen im Vergleich zur Effizienz zu optimieren. Der LT1738 kann die Leistung hoher Frequenzharmonischer um bis zu 40 dB reduzieren, mit nur geringen Verlusten bei der Effizienz. Der LT1738 nutzt eine Strommodus-Architektur, die für Einzelschalter-Topologien optimiert ist...Der interne Oszillator kann für eine genauere Platzierung der Schaltharmonischen mit einer externen Uhr synchronisiert werden.

Blockdiagramm des LT1738 Schaltreglers (aus dem LT1738 Datenblatt).

Ihr nächstes mobiles Gerät oder IoT-Gerät muss Energie sparen und richtig verwalten, um seine nutzbare Lebensdauer zu verlängern. Dies können Sie mit dem richtigen Spannungsregler und anderen speziell für mobile Anwendungen und IoT-Anwendungen entwickelten Komponenten erreichen. Versuchen Sie, unseren Part Selector Guide zu verwenden, um die beste Option für Ihr nächstes Produkt zu bestimmen.

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