Vor allem Batteriebetrieb stellt hohe Anforderungen an das Power Management

Schluss mit viel Strom um nichts!

Dass Stromregler auch ohne Last Leistung aufnehmen, ist zwar unvermeidbar, jedoch lässt sich der lästige Leerlaufverbrauch mit modernen ICs auf annehmbare Werte senken.

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Miro Adzan, Texas Instruments: »Abschaltmöglichkeiten sind immer gut!«

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Miro Adzan, Texas Instruments: »Abschaltmöglichkeiten sind immer gut!«

Idealerweise sollte der Wirkungsgrad eines Stromreglers bei der am häufigsten auftretenden Last am höchsten sein. Wenn allerdings Nulllast am häufigsten auftritt, wird das physikalisch unmöglich. Der einzige Trost ist dann vielleicht nur, dass wenigstens der Gesamtverbrauch im Leerlaufbetrieb am geringsten ist. Vor allem bei batteriegestützten Anwendungen ist das aber ein schwacher Trost, vor allem wenn der Ruhestrom im mA-Bereich liegt: Bei einem täglichen Abfluss von 24 mAh wäre eine Batterie mit 3 Ah nach vier Monaten leer. Für einen Akku wäre das noch kein Thema, leidet er doch ohnehin unter Selbstentladung, so dass der Anwender ihn öfter mal laden muss. Bei Primärzellen ist das gänzlich anders: Solange sie nicht belastet werden, bleibt ihre Ladung oft jahrelang erhalten.

Keine einfachen Antworten auf komplexe Fragen

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Tony Armstrong, Linear Technology: » Die Power-Management-Welt ist eine Multiparameterwelt. Sie ist sehr fragmentiert, weil es eine unüberschaubare Vielfalt von Anwendungen und Anforderungen gibt!«

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Tony Armstrong, Linear Technology: » Die Power-Management-Welt ist eine Multiparameterwelt. Sie ist sehr fragmentiert, weil es eine unüberschaubare Vielfalt von Anwendungen und Anforderungen gibt!«

Die (zunächst) einfache Frage lautet also: Wie lässt sich der Leerlaufverbrauch von Power-Management-Schaltungen minimieren? Tony Armstrong, Direktor für Product Marketing von Power-Produkten beim Halbleiterspezialisten Linear Technology, kann darauf keine einfache Antwort geben. »Die Power-Management-Welt ist eine Multiparameterwelt. Sie ist sehr fragmentiert, weil es eine unüberschaubare Vielfalt von Anwendungen und Anforderungen gibt«, so Armstrong. »Die Frage muss also mit Gegenfragen beantwortet werden: Um welchen Spannungsbereich, Höchststrom und Leistungsbereich geht es? Auf welche Duty cycle muss ich mich einstellen? Gibt es nur Null- und Volllast oder auch Teillastbedingungen? Muss der Regler die Spannung tiefsetzen oder hochsetzen oder beides? Welche anderen Anforderungen gibt es, wie EMV, Platzbedarf, Wirkungsgrad und so weiter?«.

Der Linearregler hat weiter seine Existenzberechtigung

Nun könnte man daraus schließen, dass die Lösung der Quadratur des Kreises gleichkäme. Zum Glück gibt es aber einige Grundsätze, deren Kenntnis sehr nützlich ist, wenn man sich effiziente Power-Management-Konzepte überlegt. So ist es wichtig, das Verhältnis der Bereitschaftszeit zur Betriebsdauer zu kennen. »Wenn Standby die Anwendung dominiert, ist der Ruhestrom ein sehr wesentlicher Faktor«, stellt Armstrong lakonisch fest.

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Werner Berns, National Semiconductor: »Für extrem geringe Bereitschaftsströme mit Batteriestandzeiten von vielen Jahren sind Schaltregler ungeeignet, weil sie ständig schalten. Manchmal geht es noch mit einem Linearregler, aber sonst ist nur noch Dir

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Werner Berns, National Semiconductor: »Für extrem geringe Bereitschaftsströme mit Batteriestandzeiten von vielen Jahren sind Schaltregler ungeeignet, weil sie ständig schalten. Manchmal geht es noch mit einem Linearregler, aber sonst ist nur noch Dir

»Wenn die primäre Spannung etwas höher ist als die Lastspannung sollte man sich stets, zumindest kurz, überlegen, ob ein klassischer Linearregler in Frage kommt«, rät Armstrong. »Der Vorteil eines Linearreglers ist immerhin, dass er einfach zu bauen und sehr rauscharm ist«. Das sieht Werner Berns, Account Manager und Power-Spezialist beim Halbleiterhersteller National Semiconductor, ähnlich: »Der Linearregler hat weiter seine Existenzberechtigung.« Und Miro Adzan, EMEA Marketing Manager, Power Solutions bei Texas Instruments, fügt hinzu: »Besonders bei geringer Leistung hat der Linearregler eine Daseinsberechtigung. Und er ist zur Entfernung der Restwelligkeit sehr geeignet. Auch der Ruhestrom kann sehr gering sein: 500 nA bei 150 mA Höchststrom sind erreichbar. Allerdings kann ein LDO nicht hochstellen!«

Das hört sich für manchen, der gleich zum Schaltregler greift, überraschend an. Immerhin ist der Schaltregler im Wirkungsgrad grundsätzlich besser als ein Linearregler, dessen Wirkungsgrad sich etwa aus dem Verhältnis der Ausgangs- und Eingangsspannung ergibt. Aber er ist einfach zu realisieren. Armstrong relativiert deshalb: »Beim Schaltregler hält die Komplexität des Magnetismus Einzug in die elektrische Schaltung. Und es sind auf einmal Störgeräusche da, deren Ursache die Schaltflanken sind«. Hinzu kommt, dass es sinnvoll sein kann, hybride Architekturen vorzusehen: So könnte ein Linearregler mit sehr geringem Ruhestrom während der Bereitschaft die Spannungsversorgung aufrechterhalten. Im Bedarfsfall wird ein parallel wirkender Schaltregler aktiviert, der die eigentliche Last versorgt. Und weil es Linearregler mit extrem geringem Spannungsabfall gibt, können auch serielle Konzepte sinnvoll sein, bei denen ein Schaltregler den Linearregler in der Weise versorgt, dass er dessen Eingangsspannung ständig leicht oberhalb dessen Ausgangsspannung regelt, so dass der Linearregler gerade genug Spannung zum Arbeiten hat, aber nur wenig Verlustleistung aufnimmt.

Auch sonst lässt sich mit intelligenten Konzepten viel Energie sparen. »Abschaltmöglichkeiten sind immer gut!«, sagt Adzan, »so kann man einen Schaltregler einfach abschalten und eine Umgehung einschalten, wenn die Akkuspannung zur Lastspannung passt. Das funktioniert nicht nur bei Tiefsetzstellern, sondern auch bei Boostkonfigurationen, sofern die Anwendung in lastarmen Zeiten temporär mit der Akkuspannung auskommt.« Werner Berns nennt ein Beispiel für intelligente Lösungen, das in Mobiltelefonen Furore macht: »Hier kann es sinnvoll sein, die Sendestufe bei Vollleistung direkt aus dem Akku zu speisen und bei geringem Leistungsbedarf einen Schaltregler zuzuschalten.«

1. Teil: Schluss mit viel Strom um nichts!
2. Teil: Möglichst wenig schalten
3. Teil: Designtipps

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