Mehr Leistung für Ihren Boost – Antrieb größerer Lasten mit niedrigeren Batteriespannungen
Simon Bramble, Außendienstmitarbeiter und Anwendungsingenieur bei ADI
Zusammenfassung
Bootstrapping ist eine Technik, die auf die meisten Aufwärtswandler angewandt werden kann und die es dem Wandler ermöglicht, auf eine niedrigere Spannung herunterzufahren und trotzdem schwere Lasten anzutreiben. Bei vielen tragbaren Geräten wird ein Aufwärtswandler benötigt, um eine niedrige Batteriespannung in eine höhere Spannung umzuwandeln. Wenn die Batteriespannung jedoch abfällt, wird die Ansteuerung des FET (Feld-Effekt-Transistor) des Aufwärtswandlers reduziert, was manchmal zu einer Verringerung des am Ausgang verfügbaren Stroms führt. Bootstrapping umgeht dieses Problem und verlängert die Batterielebensdauer, während der Wirkungsgrad bei hoher Last noch erhöht wird.
Diese Aufwärtswandler sind für die Arbeit gemacht
Der ADP1612 ist ein kostengünstiger, hocheffizienter Aufwärtswandler, der bei 1,3 MHz arbeitet und sich ideal für Schaltungen der Unterhaltungselektronik eignet, die klein sein müssen.
Er verfügt über einen Shutdown-Pin, der den Ruhestrom auf weniger als 2 μA reduziert und arbeitet mit einer Eingangsspannung von bis zu 1,8 V, was Ihn ideal für batteriebetriebene Elektronik macht. Mit sinkender Batteriespannung sinkt jedoch auch der Spitzenstrom. Dies kann ein Vorteil sein, wenn die Batterie in ihren letzten Stunden schonend behandelt werden muß, kann aber auch zu Problemen beim Betrieb schwerer Lasten mit einer niedrigen Batteriespannung führen. Das Bootstrapping umgeht dieses Problem und liefert einen hohen Ausgangsstrom mit hohem Wirkungsgrad, während die Batteriespannung auf einen viel niedrigeren Wert abfällt.
Mehr Batterielebensdauer mit einem Aufwärtswandler
Abbildung 1 zeigt das Standard-Evaluierungskit ADP1612-5-EVALZ für den ADP1612ARMZ-R7. Ein 200 mΩ-Strommeßwiderstand wurde in Reihe mit dem Batterieeingang geschaltet, um den Eingangsstrom zu messen. Ein großer Elektrolytkondensator wurde dem Batterieeingang der Schaltung hinzugefügt, um die Stromspitzen der Induktivität zu glätten, sodaß der durchschnittliche Batteriestrom über den Meßwiderstand mit einem hohen Maß an Genauigkeit gemessen werden konnte. Die Batteriespannung wurde mit einem Digitalvoltmeter gemessen, damit die Eingangsleistung durch Multiplikation von Batteriespannung und Eingangsstrom berechnet werden konnte. Dem Ausgang wurden Ohm’sche Lasten hinzugefügt und der Wirkungsgrad des Wandlers wurde berechnet, indem die Ausgangsleistung durch die Eingangsleistung geteilt wurde.
Abbildung 1. Evaluierungskit ADP1612-5-EVALZ für den ADP1612ARMZ-R7.
Abbildung 2. Laststrom vs. minimale Eingangsspannung.
Weitere Vor- und Nachteile
Die Bootstrap-Konfiguration hat auch Auswirkungen auf die Anlaufspannung der Schaltung.
Da der VIN-Pin des ADP1612ARMZ-R7 über den Ausgang versorgt wird, muß die Batteriespannung um einen Schottky-Dioden Spannungsabfall höher sein als bei der nicht gebootstrappten Schaltung. Der Spannungsabfall über einer Schottky-Diode variiert mit dem Strom von etwa 100 mV (bei einem Strom von 50 μA) bis über 200 mV bei höheren Strömen. Bei Experimenten wurde festgestellt, daß die Einschaltspannung der nicht gebootstrappten Schaltung bei etwa 1,75 V war gleich dem UVLO-Schwellenwert [Under-Voltage Lock-Out], während sie bei der gebootstrapten Schaltung auf etwa 1,95 V anstieg.
Schlußfolgerung – Sind Sie bereit für Boosts?
Dann Nichts wie an die Arbeit
Nancy Sinatra* wäre stolz. Bootstrapping kann auf jeden Aufwärtswandler angewendet werden, der die Batteriespannung beim Einschalten nicht vom Ausgang trennt. Die Auswirkungen eines schlechteren Wirkungsgrads bei geringer Last können durch die Verwendung von Geräten mit sehr niedrigem Ruhestrom gemildert werden. Die höhere Einschaltspannung ist in der Regel kein Problem, da die Schaltkreise nicht oft mit einer leeren Batterie anlaufen müssen.
Wenn die Schaltung während des größten Teils ihres Betriebs einen recht geringen Laststrom oder eine hohe Batteriespannung aufweist, bringt das Bootstrapping möglicherweise keine Vorteile. Wenn die Last jedoch hoch ist und die Schaltung bis zu den letzten Minuten der leeren Batterie in Betrieb bleiben muß, dann ist Bootstrapping wirklich eine Überlegung wert.
Überraschend an Abbildung 8 ist die Tatsache, daß die nicht gebootstrappte Schaltung bei Batteriespannungen über 2,2 V einen höheren Laststrom liefern kann als die gebootstrappte Schaltung. Das liegt daran, daß der Ruhestrom des ADP1612ARMZ-R7 im Bootstrap-Modus höher ist, da er aus der Ausgangsspannung läuft. Darüber hinaus hat der ADP1612ARMZ-R7 einen Wirkungsgrad von weniger als 100 %, was den erforderlichen Eingangsstrom für einen gegebenen Laststrom weiter erhöht. Dies führt zu einer etwas höheren erforderlichen Eingangsspannung (etwa 150 mV) im Bootstrapped-Modus im Vergleich zum Non-Bootstrapped-Modus. Wie bereits erwähnt, sind die Vorteile des Bootstrapping bei höheren Batteriespannungen nicht signifikant, und die Vorteile, die die höhere Gate-Ansteuerung mit sich bringt, reichen nicht aus, um die erhöhten Verluste auszugleichen, die durch den erhöhten Ruhestrom in der Bootstrapping-Schaltung entstehen.
*These Boots Are Made for Walkin’ – Nancy Sinatra, 1966