Wearables müssen kompakte Ausmaße und ein geringes Gewicht haben, damit sie sich komfortabel am Körper tragen lassen. Außerdem ist bei diesen elektronischen Geräten ein sehr geringer Energiebedarf wichtig, um die Betriebs- und Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Es ist allerdings nicht so einfach, diese Geräte effizient und akkurat mit minimaler Stromaufnahme zu versorgen.
Die wichtigsten Herausforderungen bei der Stromversorgung von smarten Wearables sind folgende:
Ein geringer Stromverbrauch des Power-Management-IC ist entscheidend für eine lange Betriebszeit; dazu ist ein Wandler-IC mit Mikro- oder Nanopower nötig.
Ein MEMS benötigt Strom aus einer ruhig geregelten Leistungsquelle; viel beschäftigte Aktoren können auch davon profitieren. Ein LDO oder Schaltregler mit geringer Ausgangswelligkeit ist ideal für derartige Spannungspegel, weil sie nur ein geringes Ausgangsrauschen aufweisen.
Die Spannungspegel des Bluetooth-/HF-/Wi-Fi-/Handy-Verbindungssystems müssen ebenfalls nur geringes Rauschen aufweisen. Ein LDO oder ein Schaltregler mit geringer Ausgangswelligkeit sind dafür eine gute Wahl.
ARM-Cortex-MCUs, DSPs, GPS-Chips oder FPGAs benötigen eine Vielzahl an unterschiedlichen niedrigen Spannungspegeln, die eine große Bandbreite an Strömen umspannen. Sie können von LDOs oder Schaltreglern versorgt werden.
Nicht alle tragbaren Geräte werden mit wiederaufladbaren Batterien versorgt. Einige verwenden Batterien mit Primärzellen (nicht wieder aufladbar), die einen lange Betrieb zwischen dem Austausch garantieren. Deshalb ist es wichtig, die Batteriebetriebszeit zu bestimmen.
Kompakte Ausmaße und geringes Gewicht machen die Gerät für den Nutzer komfortabel. ICs in kompakten Gehäusen brauchen nur wenig Platz – was das Endgerät klein und leicht macht.
Eine IC-Lösung, die die Anforderungen einer Wearable-Anwendung erfüllt und auch die damit verbundenen Probleme löst, muss folgende Attribute aufweisen: Nötig ist ein sehr geringer Ruhestrom (im Betriebsmodus und im abgeschalteten Zustand) und ein weiter Eingangsspannungsbereich, um eine Vielzahl an Leistungsquellen zu akzeptieren.
IC mit sehr geringem Ruhestrom
Zudem muss sie die Fähigkeit haben, Systemspannungspegel effizient zu versorgen (einige davon mit Spannungen größer 5 V) sowie akkurat Coulombs zählen können, ohne signifikante Auswirkungen auf den IC-Ruhestrom (Batterieverbrauch), um die Betriebszeit der Batterie zu bestimmen. Und schließlich muss es sich um eine kleine, leichte und kompakte Lösung handeln, die in einem modernen Gehäuse untergebracht ist, das optimale thermische Eigenschaften und effiziente Raumausnutzung gewährleistet.
Bauteile, die diese Anforderungen erfüllen, bietet zum Beispiel Linear Technology an: den Abwärtsregler LTC3388/-x, den Nanopower-Regler LTC3331 und den Abwärts-/Aufwärtswandler LTC3335. Der LTC3388 ist ein synchroner Abwärtswandler mit extrem geringem Ruhestrom, der aus einem Eingangsspannungsbereich von 2,7 bis 20 V bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefern kann. Ein Betriebsstrom von nur 720 nA ohne Last macht den Baustein geeignet für eine große Palette an batteriebetriebenen Applikationen und Anwendungen mit geringem Ruhestrom wie ständig eingeschaltete Stromversorgungen und am Körper tragbare Geräte. Seine synchrone Gleichrichtung mit Hysterese optimiert den Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Lastströmen. Er hat bei Lasten zwischen 15 µA bis 50 mA einen Wirkungsgrad über 90 Prozent und benötigt ohne Last 720 nA an Ruhestrom in der Regelung, was die Batteriebetriebszeit deutlich verlängert. Die Kombination eines DFN-Gehäuses mit 3 mm x 3 mm Kantenlänge (oder MSOP-1) und nur fünf externen Komponenten gewährleistet eine einfache und kompakte Lösung für Low-Power-Anwendungen.
ICs mit Nanopower-Ruhestrom
Der synchrone Nanopower-Ab-/Aufwärtswandler LTC3335 weist einen hohen Wirkungsgrad und einen präzisen Coulomb-Zähler auf dem Chip auf, der bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert. Durch einen Ruhestrom von 680 nA und programmierbaren Spitzeneingangsströmen zwischen 5 bis zu 250 mA ist er geeignet für Low-Power-Batterieanwendungen, wie man sie in Wearables und IoT-Geräten findet. Sein Eingangsspannungsbereich von 1,8 bis 5,5 V und acht vom Anwender wählbare Ausgangsspannungen zwischen 1,8 und 5 V liefern eine geregelte Ausgangsversorgungsspannung, wobei die Eingangsspannung über oder unter der Eingangsspannung liegen kann oder ihr gleich ist. Zusätzlich bietet der integrierte Präzisions-Coulomb-Zähler (+/- 5 Prozent Fehler bei der Messung der Batterieentladung) eine akkurate Überwachung der akkumulierten Batterieentladung in langlebigen Anwendungen mit nicht wiederaufladbaren Batterien, die meist sehr flache Batterieentladekurven haben.
Typische Applikationen sind zum Beispiel drahtlose Sensoren oder Fernüberwachung. Der Baustein enthält vier interne Low-RDSON-MOSFETs und kann Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent erreichen. Weitere Eigenschaften sind eine programmierbare Schaltschwelle für den Entladealarm, eine I²C-Schnittstelle für den Zugriff auf den Coulomb-Zähler und die Bausteinprogrammierung, ein Power-Good-Ausgang und acht selektierbare Spitzeneingangsströme zwischen 5 und 250 mA, um unterschiedliche Batteriearten und -größen verwenden zu können. Der LTC3335 hat einen Betriebssperrschichttemperaturbereich von -40 bis 125 °C.
Energie aus der Umgebung gewinnen
Der LTC3331 ist eine Energy-Harvesting-Lösung, die bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert, um die Batteriebetriebszeit zu verlängern, wenn zu erntende Energie verfügbar ist. Ein einfacher 10-mA-Shunt erlaubt das Laden von wiederaufladbaren Batterien mit aus der Umgebung aufgenommener Energie, während eine Abschaltfunktion bei geringer Batterieladung die Batterie vor Tiefentladung schützt. Er benötigt 200 nA Versorgungsstrom aus der Batterie, wenn er aus der geernteten Energie geregelten Strom an die Last liefert, und 950 nA, wenn er ohne Last aus der Batterie versorgt wird.
Das Bauteil enthält eine Energy-Harvesting-Hochspannungsstromversorgung, eine Batterieladeschaltung und einen synchronen Ab-/Aufwärtswandler, der einen kontinuierlich geregelten Ausgang für Energy-Harvesting-Applikationen bereitstellt. Die Stromversorgung besteht aus einem Vollbrücken-Gleichrichter, der AC- und DC-Eingangsspannungen verträgt, und einem Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad, der Energie aus piezoelektrischen (AC), Solarzellen (DC) oder magnetischen Quellen gewinnt. Kann keine Energie aufgenommen werden, versorgt die wiederaufladbare Batterie einen Ab-/Aufwärtswandler, der über den vollen Batteriespannungsbereich bis zu 4,2 V arbeitet und regeln kann – egal, ob er über, unter oder gleich der Ausgangsspannung ist. Der LTC3331 geht automatisch auf die Batterie über, wenn die Quelle für die Energieernte nicht länger verfügbar ist. Die Eingänge des Bausteins arbeiten mit einem Spannungsbereich von 3 bis 19 VAC oder VDC. Damit eignet er sich gut für piezoelektrische, magnetische oder Solar-Energiequellen. Die Einstellungen der Schwellwerte seiner Unterspannungsfunktion lassen sich zwischen 3 und 18 V programmieren, was es der Applikation ermöglicht, die energieerntende Quelle immer an ihrem optimalen Übertragungspunkt der Leistung zu betreiben. Weitere Eigenschaften sind: pin-programmierbare Ausgangsspannungen, Ab-/Aufwärts-Spitzenstrombegrenzungen, ein Superkondensator-Balancer und ein Shunt, der den Eingang schützt.
