Die Hard- und Software-Funktionen mobiler Geräte werden durch Internet-Surfen, hochauflösende Kameras, größere HD-Bildschirme, schnellere Prozessoren und 4G immer anspruchsvoller. So steigen auch der Stromverbrauch und die Spitzenleistung, die den Spannungsreglern des Gerätes abverlangt wird. Laufen mehrere Prozesse gleichzeitig, können die Lastströme sich schnell addieren, was enorme elektrische und thermische Belastungen für das Power-Management-System mit sich bringt.
Systementwickler bieten kreative Lösungen, um die Batterielebensdauer zu erhöhen. Während die meisten Stromversorgungsanforderungen bereits in den Power Management IC (PMIC) eines Smartphones oder Tablets integriert sind, besteht auch die Forderung an diskrete Stromversorgungslösungen, mit der neuen Generation von Mobilgeräten Schritt zu halten. Diese speziellen diskreten Lösungen erhöhen die Funktionalität des PMICs und die Energieeffizienz des Mobilgeräts.
Dieser Beitrag beschreibt die Herausforderungen, die bestehen, um in Mobilgeräten eine höhere Energieeffizienz zu erzielen. Dabei kommen neue Abwärts-/Aufwärtswandler (Buck-Boost-Wandler) zum Einsatz, mit denen sich die Laufzeit von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien verlängern und die Verlustleistung reduzieren lässt, um somit die Wärmebilanz zu verbessern.
Buck-Boost als Vorregler
Buck-Boost-Wandler spielen eine wichtige Rolle, wenn Gesamteffizienz und Akkulaufzeit verbessert werden sollen. Besonders erfolgreich sind sie als Vorregler (Pre-Regulator) in PMIC LDOs (Low-Dropout-Regler). PMICs in Mobilgeräten können bis zu 30 LDOs für alle Subsysteme aufweisen, z.B. für Bluetooth, SD-Speicher und HF-Transceiver. Die LDO-Ausgangsspannungen reichen dabei von 1,2 bis 3,3 V. Die Akkus dieser Geräte weisen einen Spannungsbereich von 4,35 bis 2,5 V bei dynamischen Netz- und Lasttransienten auf – selbst wenn VBAT die meiste Zeit bei 3,7 V verbleibt.
Das Problem ist, dass ein großer LDO-Spannungsabfall einen hohen Effizienzverlust verursacht. Netzspannungsstörungen können dann zu vorübergehenden Brown-out-Effekten in nachgeschalteten Subsystemen führen. Ein genau geregelter Ausgang, z.B. bei 3,3 V, löst dieses Problem und sorgt für einen vorhersagbaren Betrieb bei hohen Transienten. Die entscheidende Verbesserung erfolgt durch den geringeren Spielraum und die reduzierte Drop-Out-Spannung aller LDOs. Die Vorteile bezüglich der Energieeffizienz sind erheblich, und die Wärmebilanz fällt besser aus, da weniger Verlustleistung im PMIC entsteht. Damit sinkt die Temperatur und der Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFETs fällt geringer aus.
Bei der Stromversorgung der PMIC LDOs ergeben sich zwei Möglichkeiten: entweder direkt von der Batterie oder über einen Buck-Boost-Wandler.
Die Entwickler bei Intersil führten einen Versuch durch, um den Einfluss dieser beiden Ansätze auf die Akkulaufzeit zu bestimmen. Der Aufbau emulierte gängige Anwendungsfälle wie Video-Streaming über Wi-Fi und Lese-/Schreiboperationen auf eine SD-Speicherkarte. Der Ansatz mit dem Buck-Boost-Regler erhöht die Akkulaufzeit um mehr als 8 Prozent.
Leerlauf-Ruhestrom verringern
Neben der Energieeinsparung im laufenden Betrieb profitieren Schaltreger auch von einem stromsparenden Bypass-Modus. Dieser ist im Buck-Boost-Wandler ISL91106 integriert, der für diesen Versuch verwendet wurde. Mit dem Bypass-Modus ist der Wandlerausgang direkt mit dem Eingang verbunden. Damit verringert sich der Leerlauf-Ruhestrom des Wandlers um bis zu 98 Prozent, während der Sleep-Modus oder die Standby-Funktionen nachfolgender Subsysteme erhalten bleiben, wie z.B. für PMIC, SoC, Audio, Display, Kamera und Schnittstellen-Peripherie.
Diese logikgesteuerte Bypass-Funktion bietet Entwicklern mehr Flexibilität als herkömmliche Schaltwandler. Ist diese Funktion deaktiviert kann der Wandler wieder auf eine geregelte Ausgangsspannung zurückkehren.
Neue Buck-Boost-Wandler wie der ISL91106 und ISL91107 basieren auf einer H-Brücke, die einen hohen Wirkungsgrad bis zu 96 Prozent auf einer Gesamtfläche von weniger als 20 mm2 ermöglicht und bis zu 9 W Ausgangsleistung über eine Li-Ionen/Li-Polymer-Akku bereitstellt.
