DC/DC-Wandler und LDOs mit niedrigen I_Q-Werten verleihen Smart Metern eine Batterielebensdauer von 20 Jahren

Smart Meter sollten möglichst lange ohne Batteriewechsel betrieben werden können. Mit geeigneten DC/DC-Wandlern und LDOs lassen sich Batterielebensdauern von 20 Jahren erreichen.

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Texas Instruments Deutschland GmbH

Intelligente Wärme-, Wasser- und Gaszähler stellen hohe Anforderungen an das Power-Management des jeweiligen Systems. Da diese Zähler von sich aus über keine Verbindung zum Stromnetz verfügen, müssen sie aus nicht wieder aufladbaren Primärzellen versorgt werden. Einige Hundertmillionen solcher Zähler sind weltweit installiert, und folglich muss der Wartungsaufwand zum Wechsel der Batterien auf ein Minimum beschränkt werden. Die Geräte kommen deshalb bis zu 20 Jahre mit ein und derselben Batterie aus. Eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen einer so langen Zeitspanne ist ein Power-Management mit minimaler Ruhestromaufnahme (I_Q).

Eine Stromversorgungsschaltung mit besonders geringer Ruhestromaufnahme wandelt die höhere Batteriespannung in die niedrige Versorgungsspannung des System-Mikrocontrollers um, der ständig eingeschaltet bleibt. In Bild 1 sind einige der verschiedenen Batteriekonfigurationen dargestellt, die für Smart Meter und andere sehr wenig Strom verbrauchende Systeme in Gebäudeautomations- und Personal-Electronics-Anwendungen eingesetzt werden. Bestimmte Verbraucher wie die Konnektivitätsfunktion werden durch Lastschalter oder Low-Dropout-Linearregler (LDOs) deaktiviert, damit sie bei Nichtgebrauch keinen Strom aufnehmen.

Bildergalerie

Die Sleep- und Standby-Betriebsarten des Mikrocontrollers ermöglichen es, seine Stromaufnahme auf 1 µA oder sogar noch weniger abzusenken. Die Stromversorgung muss eine ganz niedrige Ruhestromaufnahme aufweisen, um bei dieser extrem geringen Belastung effizient zu arbeiten und nicht zu viel Batterieenergie zu vergeuden [1]. Bei der Entscheidung zwischen einem geschalteten Abwärtswandler mit extrem niedrigem I_Q und einem Ultra-Low-Power-LDO müssen mehrere Kriterien (z.B. Wirkungsgrad, Kostenaufwand, Bauteileaufwand und einfache Anwendung) in Betracht gezogen werden.

Die Angabe des I_Q-Wertes allein ist nicht entscheidend

In Systemen mit äußerst geringer Leistung wurden traditionell LDOs mit besonders niedriger Ruhestromaufnahme eingesetzt, da I_Q-Werte kleiner waren als die von DC/DC-Wandlern. So bietet etwa der LDO TPS7A02 von Texas Instruments einen I_Q-Wert von 25 nA, während der DC/DC-Wandler TPS62840 auf 60 nA kommt. Die deutliche Senkung der Ruhestromaufnahme von LDOs und sogar DC/DC-Wandlern hat allerdings dafür gesorgt, dass der I_Q-Wert nicht mehr das einzige Kriterium bei der Entscheidung für eine Stromversorgung mit äußerst niedriger Ruhestromaufnahme ist. Es kommt vielmehr darauf an, wieviel Strom letztendlich aus der Batterie entnommen wird. Abhängig von der Stromaufnahme des Mikrocontrollers ist mit der Angabe des I_Q-Werts unter Umständen noch nicht alles gesagt.

Die soeben genannten I_Q-Werte von 25 nA bzw. 60 nA beziehen sich auf den Strom, den die betreffenden Bauelemente ohne angeschlossenen Verbraucher aufnehmen. Wie die Bezeichnung schon andeutet, ist die Stromaufnahme ohne angeschlossenen Verbraucher nur dann relevant, wenn das System wirklich keinen Verbraucher versorgt. Dies trifft jedoch niemals zu, wenn der Mikrocontroller stets aktiv ist, denn dieser nimmt auch im Sleep- oder Standby-Modus immer einen gewissen Strom auf. Dieser Leckstrom belastet die Stromversorgung, was dazu führt, dass aus der Batterie mehr Strom gezogen wird als die im Datenblatt angegebene Ruhestromaufnahme.

Bild 2 zeigt den Wirkungsgrad und die entsprechende Stromentnahme aus der Batterie für einen DC/DC-Wandler mit einem I_Q von 60 nA und für einen LDO, dessen I_Q 25 nA beträgt – jeweils für eine Ausgangsspannung von 1,8 V. Bild 3 visualisiert die gleichen Daten für eine Ausgangsspannung von 3,3 V. In beiden Graphen ist eine einheitliche Batteriespannung von 3,6 V zugrunde gelegt, und das linke Ende der X-Achse entspricht jeweils einem Laststrom von 100 nA.

Die Wirkungsgradkurve des LDO verläuft flach und nähert sich asymptotisch ihrem theoretischen Maximum von V_out/V_in an (50% bei 1,8 V bzw. 92% bei 3,3 V Ausgangsspannung). Besonders bei niedrigen Lastströmen wird spürbar, dass der I_Q-Wert des LDO seinen Wirkungsgrad unter den theoretischen Maximalwert drückt. Die Effizienz des DC/DC-Wandlers dagegen beträgt über den Großteil des Laststrombereichs hinweg 90% und fällt erst bei höheren Lastströmen ab, wenn die Ohmschen Verluste in der Schaltung dominieren. Bei niedrigen Lastströmen dagegen bewirkt die Ruhestromaufnahme erneut eine deutliche Verringerung des Wirkungsgrads.

Höhere Lastströme treten während des Sende- und Empfangsbetriebs per Wi-Fi, GSM oder WMBus auf oder beispielsweise beim Ansteuern eines Motors zum Schließen eines Wasserventils in einem Wasserzähler. Um bei diesem Beispiel zu bleiben: Der DC/DC-Wandler mit ultrageringem I_Q-Wert kommt hier auf einen Ausgangsstrom von 750 mA, verglichen mit 200 mA für den LDO. Der Effizienzvorsprung bei hohen Lastströmen, der mit einer entsprechend geringeren Erwärmung des DC/DC-Wandlers gegenüber dem LDO verbunden ist, ist der Grund dafür, dass DC/DC-Wandler in der Regel höhere Ströme unterstützen als LDOs.

Während es Unterschiede beim Wirkungsgrad gibt, helfen die Unterschiede im Batteriestrom bei der konkreten Bewertung der Auswirkungen auf die Applikation – in diesem Fall geht es um das Erzielen einer Laufzeit von 20 Jahren für die Primärbatterie in einem Smart Meter. Der aus der Batterie aufgenommene Strom bestimmt die erforderliche, in mAh angegebene Kapazität und damit die Größe der Batterie. Bei 3,3 V Ausgangsspannung gibt es hinsichtlich der Stromentnahme aus der Batterie keinen großen Unterschied, da sich Batterie- und Ausgangsspannung nicht sehr stark unterscheiden. Bei der geringeren Betriebsspannung von 1,8 V aber unterscheiden sich die Stromaufnahmen des DC/DC-Wandlers und des LDO um nahezu 50%.

Überschaubarer Kosten- und Bauteileaufwand

In Bild 4 sind Schaltpläne der Stromversorgungen mit einem DC/DC-Wandler bzw. einem LDO mit extrem niedrigem I_Q dargestellt. Beide Lösungen sind einfach und kommen mit wenigen passiven Bauelementen aus. Für den DC/DC-Wandler werden eine Leistungsspule, zwei Keramik-Kondensatoren und ein Widerstand zum Festlegen der Ausgangsspannung benötigt, während für den LDO nur zwei Keramikkondensatoren erforderlich sind, da seine Ausgangsspannung intern vorgegeben ist. Diese beiden simplen Stromversorgungen können mit allgemein erhältlichen Standardbauelementen realisiert werden.

Die für den DC/DC-Wandler benötigten zusätzlichen Bauelemente, nämlich die Spule und der Widerstand, erhöhen geringfügig den Kostenaufwand gegenüber der LDO-Lösung. Außerdem sind LDO-ICs generell kostengünstiger, weil ihre Gehäuse kleiner sind und ihre Funktion verglichen mit ähnlichen DC/DC-Wandler-ICs einfacher ist. Das SON-Gehäuse (Small-Outline No-lead) des TPS7A02 misst gerade einmal 1 mm x 1 mm, das SON-Gehäuse des TPS62840 1,5 mm x 2 mm. Die einfachere Funktionsweise des LDO wird durch die Beschränkung auf einen einzigen, nicht schaltenden Leistungstransistor erreicht, während die beiden Leistungstransistoren des synchronen DC/DC-Wandlers fortlaufend schalten. Ab 1000 Stück beträgt der Einzelpreis des DC/DC-Wandlers TPS62840 0,70 US-$, während der LDO des Typs TPS7A02 unter gleichen Konditionen für 0,49 US-$ zu haben ist.

Einfach integrierbare DC/DC-Wandler und LDOs

Wegen ihres geringen Bauteileaufwands können der DC/DC-Wandler und der LDO einfach in Leiterplatten-Designs integriert werden, wobei die Implementierung des LDO wegen der geringeren Anzahl an Pins und Bauelementen besonders unkompliziert ist. Das völlige Fehlen jeglicher Schaltaktivitäten im LDO bewirkt, dass es hier weder zu einer Welligkeit der Ausgangsspannung noch zu elektromagnetischen Interferenzen kommt – beide Phänomene können sich störend auf benachbarte analoge Schaltungen auswirken. Im DC/DC-Wandler TPS62840 wurden drei Maßnahmen ergriffen, um Probleme mit der Ausgangsspannungs-Welligkeit, die durch die Schaltvorgänge in einem DC/DC-Wandler hervorgerufen werden, zu entschärfen, obwohl die Störgrößen wegen des niedrigen Leistungsniveaus ohnehin schon recht gering sind.

Als erstes kann der DC/DC-Wandler mit dem MODE-Pin in eine Betriebsart mit reduzierter Welligkeit versetzt werden, die allerdings bei geringer Last weniger effizient ist. Der Mikrocontroller kann diese Betriebsart beispielsweise während des Sende- und Empfangsbetriebs wählen, wenn für eine relativ kurze Zeitspanne weniger Welligkeit benötigt wird. Als zweite Maßnahme kann über den STOP-Pin jedes Schalten im DC/DC-Wandler temporär eingestellt werden, um jegliche Störaussendungen zu unterbinden. Der Mikrocontroller kann diesen Pin unter anderem ansteuern, um zur Durchführung einer sensiblen Messung für wenige Mikrosekunden eine störungsfreie Umgebung zu haben.

Nach dem Ende der Messung schaltet der Mikrocontroller den Status des STOP-Pins wieder um, damit der DC/DC-Wandler umgehend wieder anläuft. Schließlich kommt im TPS62840 die DCS-Control-Topologie von TI zum Einsatz, die mit ihrem Single-Pulse-Stromsparmodus für eine geringstmögliche Welligkeit sorgt [2]. Auf jeden Fall ist das Rauschniveau des DC/DC-Wandlers und des LDO hinreichend gering für Systeme mit niedriger Leistungsaufnahme.

Der DC/DC-Wandler und der LDO eignen sich für einen weiten Eingangsspannungsbereich, sodass die Verwendung mit den unterschiedlichen Batteriechemien, die in Smart Metern und anderen Systemen mit besonders geringer Leistungsaufnahme üblich sind, möglich ist. Beispiele sind Lithium-Mangan-Dioxid- (Li-MnO₂), Lithiumthionylchlorid- (Li-SOCL₂), Lithium-Ionen- (Li-Ion) und Alkali-Batterien.

Der DC/DC-Wandler unterstützt einen nach oben geringfügig größeren Eingangsspannungsbereich (bis 6,5 V) und ist deshalb in Systemen mit höherer Leistung für mehr Zellen (z.B. vier Alkali-Batterien in Serie) geeignet. Dank der Möglichkeit zur Nutzung ein und desselben DC/DC-Wandler- bzw. LDO-Typs für unterschiedliche Batteriechemien ist es möglich, ein Stromversorgungssystem unverändert für verschiedene Systeme und eine Vielzahl von Märkten zu verwenden.

Darüber hinaus gibt sowohl den DC/DC-Wandler als auch den LDO mit mehreren Gehäuseoptionen, z.B. als SON- und als WCSP-Version (Wafer Chip Scale Package). Diese verschiedenen Gehäuse zielen auf unterschiedliche Anwendungen. Das SON-Gehäuse etwa bietet eine gute Kombination aus kleinen Abmessungen, einfacher Montage und guten thermischen Eigenschaften. Das bedrahtete Gehäuse wiederum zeichnet sich durch einfache Montage und Nacharbeiten aus, allerdings verbunden mit einem größeren Anschlussabstand. Letzterer ist kritisch für eigensichere Anwendungen wie etwa Gaszähler. Schließlich wird jeder Baustein als WCSP-Version angeboten, um die von Anwendungen wie etwa tragbaren elektronischen Kleingeräten verlangte absolute Minimierung der Lösungsabmessungen zu erreichen. Dank der Vielzahl an Gehäuseoptionen können der DC/DC-Wandler und der LDO mit extrem niedriger Ruhestromaufnahme in nahezu beliebigen Anwendungen eingesetzt werden.

DC/DC-Wandler und LDOs mit extrem niedrigem I_Q-Wert

In Tabelle 1 sind der Wirkungsgrad und der Batteriestrom des DC/DC-Wandlers und des LDO mit extrem niedrigem I_Q gegenübergestellt, während in Tabelle 2 die Kosten, der Bauteileaufwand und die Einfachheit der Anwendung verglichen werden. Bei der niedrigeren Ausgangsspannung von 1,8 V aus einer gängigen 3,6-V-Batterie kommt der DC/DC-Wandler auf einen höheren Wirkungsgrad und eine geringere Stromentnahme aus der Batterie als der LDO, obwohl letzterer den niedrigeren I_Q-Wert besitzt. Diese Situation ändert sich bei der Schaltung für die höhere Ausgangsspannung von 3,3 V. Wegen der deutlich geringeren Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung entnimmt der LDO mit extrem niedriger Ruhestromaufnahme bei 100 nA Laststrom wesentlich weniger Strom aus der Batterie, während der Strom bei größeren Lasten ungefähr gleich ist.

In Anwendungen wie etwa Verbrauchszählern, die sich für den Großteil der Zeit im Standby-Modus befinden, ist die Stromaufnahme im Standby-Status in der Regel der dominierende Faktor beim Erreichen einer bestimmten Batterielebensdauer. Zum Berechnen der mittleren Stromentnahme aus der Batterie wird meist das zeitliche Verhältnis zwischen Hochleistungs- und Standby-Modus herangezogen. Dazu das folgende Beispiel. Der mit 3,3 V betriebene Mikrocontroller eines Verbrauchszählers nimmt vielleicht 10 mA zum Absenden der Verbrauchsdaten auf, das im Hochleistungs-Modus erfolgt. Hierfür werden stündlich 360 ms benötigt, während er sich während der übrigen Zeit im Standby-Modus mit 100 nA befindet. Dieser Arbeitszyklus von 0,01% ergibt eine durchschnittliche Stromaufnahme von (0,192 µA ^. 99,99%) + (9800 µA ^. 0,01%) = 1,172 µA für den DC/DC-Wandler bzw. (0,125 µA ^. 99,99%) + (10.000 µA ^. 0,01%) = 1,125 µA für den LDO.

Der LDO mit extrem geringem I_Q ist einfacher zu implementieren und stellt die kosteneffektivere Lösung dar, wenn man den IC-Preis und die nötigen passiven Bauelemente betrachtet. Sowohl der LDO als auch der DC/DC-Wandler unterstützen mehrere Batteriechemien, jedoch eignet sich nur der DC/DC-Wandler für vier Alkalizellen in Serie. Wegen der verschiedenen Gehäuseoptionen kommen die Bauelemente für die meisten Anwendungen in Frage. In jedem Fall verhelfen die extrem niedrigen I_Q-Werte der Bauelemente Smart Metern und anderen Low-Power-Systemen zu einer deutlich längeren Batterielaufzeit.

Literaturhinweise:

[1] Glaser, Chris: „I_Q: What it is, what it isn’t, and how to use it”. Texas Instruments Analog Applications Journal SLYT412, 2. Quartal 2011.

[2] Glaser, Chris: „High-efficiency, low-ripple DCS-Control offers seamless PWM/power-save transitions”. Texas Instruments Analog Applications Journal SLYT531, 3. Quartal 2013.

* Chris Glaser ist Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Dallas, Texas.

(ID:46106830)