Der Buck-Boost-Leistungsentwurf Eine tragfähige Topologie für tragbare IoT

Hinweis des Herausgebers: Die gegensätzlichen Auswahlmöglichkeiten, die für das Design eines tragbaren Produkts für das Internet der Dinge (IoT) erforderlich sind, unterstreichen die Notwendigkeit eines zuverlässigen und stabilen Stromversorgungssystems. Zu den besonderen Überlegungen für dieses Design gehören die folgenden tragbaren Produktmerkmale: die kompakte physische Größe des Produkts, seine Abhängigkeit von drahtloser Kommunikation, die Notwendigkeit eines effizienten batteriebetriebenen Managements und die Herausforderungen bei der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. In diesem Artikel wird erörtert, wie ein auf einem Buck-Boost-Schaltregler basierendes Stromversorgungssystem diese Design-Herausforderungen angehen und erfüllen kann. Um dies festzustellen, werden die Betriebsspezifikationen von kommerziell erhältlichen Komponenten untersucht. Die Leistungsanforderungen für LTE-Zellulartransceivermodule, die Leistungsmetriken von Buck-Boost-Schaltreglern sowie Derating, ESR und Kapazität von Tantalkondensatoren werden alle bereitgestellt. Zum Abschluss bietet der Artikel eine Stromversorgungssystem-Topologie und ein Anwendungsbeispiel, um die empirische Leistung des Abwärts/Aufwärtsreglers bei der Erfüllung der Anforderungen eines tragbaren IoT-Produkts zu demonstrieren.

Einführung

Die Leistung von Zellulartransceivern hängt von der Zuverlässigkeit und Stabilität der Stromschienen ab. Es müssen Entwurfsentscheidungen getroffen werden, um einen ausreichenden Leistungsspielraum, geeignete Masseflächenabmessungen und eine ausreichend reduzierte Restwelligkeit zu gewährleisten. Diese Entscheidungen sind umso komplizierter, wenn die Entwürfe in ein tragbares Produkt gepresst werden, das auch batteriebetrieben ist, und wenn sie regulatorischen Standards unterliegen.

Dieser Artikel befasst sich mit einigen der Herausforderungen beim Leistungsdesign, die bei tragbaren IoT-Geräten auftreten, und schlägt eine Designtopologie vor, um diese Herausforderungen mit Hilfe kommerziell erhältlicher Komponenten zu bewältigen. Während des gesamten Prozesses werden kritische Designkompromisse diskutiert und empfohlene Abhilfemaßnahmen bereitgestellt. Das letztendliche Ziel dieses Artikels ist es, eine robuste Power-Design-Topologie vorzustellen, die dem Entwickler eine effiziente Lösung bietet, die innerhalb der Einschränkungen eines tragbaren IoT-Geräts funktioniert.

Definition der Herausforderung: Zuverlässigkeit und Stabilität

Für die Zwecke dieses Artikels wird Zuverlässigkeit definiert als die Fähigkeit des Stromversorgungssystems, eine Spannungsschiene innerhalb des Betriebsbereichs des Funktransceivers - in diesem Fall eines zellularen Transceivers - bereitzustellen. Diese Fähigkeit muss auch eine Strombeschaffung umfassen, die sowohl die typischen als auch die im IoT-Produkt erwarteten Spitzenstromentnahmen befriedigt.

Stabilität ist definiert als die Welligkeit, die auf der Spannungsschiene innerhalb der Spezifikation des Geräts vorhanden ist. Diese Welligkeit kann auf das Schaltverhalten des Reglers oder auf eine vorübergehende Reaktion auf einen plötzlichen Anstieg der Stromnachfrage zurückzuführen sein. Unabhängig von der Ursache ist die Reaktionsfähigkeit des Regulators die Grundlage für die Bestimmung seiner Stabilität.

Die Leistung von zellularen Transceivern

Zweifellos haben die zellularen Transceivermodule die drahtlose Konnektivität zu großen und kleinen Geräten in einem noch nie dagewesenen Umfang ermöglicht. Diese Bauelemente wurden zunehmend integriert, sogar mit integrierten Leistungsreglern, temperaturkompensierten Oszillatoren und hochentwickelten Koprozessoren. Alle diese Geräte sind jedoch nach wie vor von den wichtigsten Leistungsparametern abhängig, nämlich Zuverlässigkeit und Stabilität.

Die folgenden Produktbeispiele werden vorgestellt, um diesen letzten Punkt zu unterstreichen. Auch wenn jedes dieser Produkte im Handel erhältlich ist und jedes dieser Produkte als Grundlage für ein tragbares IoT-Produkt geeignet wäre, bleiben Leistungserwägungen ein Muss. Um es anders auszudrücken: Wenn sie nicht ordnungsgemäß mit Strom versorgt werden, wird keines dieser Geräte seine volle Leistung und Leistungsfähigkeit entfalten.

u-blox

Tabelle 1 bietet eine Übersicht über die Leistungsparameter für das MPCI-L201-02S-00 Zellular-Modul.

Tabelle 1: u-blox Leistungsparameter.

Aus der technischen Dokumentation geht hervor, dass u-blox einige ziemlich strenge Anforderungen an die Stromversorgung dieses Moduls stellt.

Die Eigenschaften des Schaltreglers, der an die VCC- oder 3,3-Vaux-Stifte angeschlossen ist, sollten die folgenden Voraussetzungen erfüllen, um die Anforderungen des Moduls VCC oder 3,3 Vaux zu erfüllen:

• Leistungsfähigkeit: Der Schaltregler muss mit seiner Ausgangsschaltung in der Lage sein, einen Spannungswert an den VCC- oder 3,3 Vaux-Pins innerhalb des spezifizierten Betriebsbereichs zu liefern und muss in der Lage sein, den maximalen Spitzen-/Impulsstromverbrauch während eines Übertragungs(Tx)-Bursts bei der im Datenblatt der Serie TOBY-L2 oder MPCI-L2 spezifizierten maximalen Tx-Leistung zu liefern.
• Niedrige Ausgangswelligkeit: Der Schaltregler muss zusammen mit seinem Ausgangskreis in der Lage sein, ein sauberes (rauscharmes) VCC- oder 3,3 Vaux-Spannungsprofil zu liefern.
• Der Spannungsabfall darf 400 mV nicht überschreiten.

Innerhalb dieser Anforderungen werden die beiden kritischen Aspekte, Zuverlässigkeit und Stabilität, hervorgehoben. Die Stromschiene muss nicht nur innerhalb des entsprechenden Spannungsbereichs liegen, sondern auch die Welligkeit muss minimiert werden. Interessanterweise wird die "Restwelligkeit" in dieser Anforderungsspezifikation in zwei verschiedene Arten unterteilt: Schaltwelligkeit und Spannungsabfall. Die erste kann man sich als hochfrequente Welligkeit vorstellen, die mit dem Schalten des Reglers zusammenhängt. Die zweite ist die niederfrequente Welligkeit, die wahrscheinlich durch die Unfähigkeit der Stromquelle verursacht wird, schnell auf eine höhere Strombelastung zu reagieren. Dies könnte mit der Leistung des Regulators zusammenhängen; es könnte aber auch durch einen zu hohen Widerstand oder eine zu hohe Induktivität innerhalb des Strompfades verursacht werden.

Wahrscheinlich würde ein Regler, der in einem zellularen Entwicklungskit-Design verwendet wird, ausreichen, aber ein wandbetriebenes Entwicklungskit-Design wäre für batteriebetriebene, tragbare Anwendungen nicht geeignet. Darüber hinaus könnte die Reduzierung des physischen Raums des Designs, eine Notwendigkeit für tragbare Produkte, auch den parasitären Widerstand und die Induktivität innerhalb des Strompfads beeinflussen. Diese Komplikation lässt sich möglicherweise nicht allein durch die richtige Auswahl des Regulierers lösen, sondern erfordert zusätzliche Abhilfemaßnahmen, insbesondere dann, wenn diese parasitären Merkmale die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften durch das Produkt gefährden.

Digi

Tabelle 2 gibt einen Überblick über die Leistungsparameter für das XBC-V1-UT-001 Zellular-Modul.

Tabelle 2: Parameter der Digi-Leistung.

Aus der technischen Dokumentation geht hervor, dass Digi einige ziemlich strenge Anforderungen an die Stromversorgung dieses Moduls stellt, wie unten zu sehen ist:

• Die Welligkeit der Stromversorgung sollte weniger als 75 mV Spitze zu Spitze betragen.
• Das Netzteil sollte in der Lage sein, mindestens 1,5 A bei 3,3 V (5 W) zu liefern. Denken Sie daran, dass der Betrieb mit einer niedrigeren Spannung eine höhere Strombelastbarkeit des Netzteils erfordert, um den Bedarf von 5 W zu erreichen.
• Platzieren Sie eine ausreichende Massekapazität auf dem XBee VCC-Pin, um die Spannung während des Einschaltstroms über der Mindestspezifikation zu halten. Der Einschaltstrom beträgt etwa 2 A während des anfänglichen Einschaltens der Zellkommunikation und des Aufwachens aus dem Schlafmodus.
• Platzieren Sie kleinere Hochfrequenz-Keramikkondensatoren sehr nahe am XBee Cellular Modem VCC-Pin, um das Hochfrequenzrauschen zu verringern.
• Verwenden Sie eine breite Stromversorgungsspur oder eine Stromversorgungsebene, um sicherzustellen, dass sie die Spitzenstromanforderungen mit minimalem Spannungsabfall bewältigen kann. Colorado Electronic Product Design empfiehlt, die Stromversorgung und die Leiterbahn so zu gestalten, dass die Spannung am XBee VCC-Pin zwischen leichter Last (~0,5 W) und schwerer Last (~3 W) um nicht mehr als 0,1 V schwankt.

Ähnlich wie bei anderen zellularen Modulen sind die Stabilität und Zuverlässigkeit der Stromschiene wichtige Überlegungen. Diese Richtlinien sind jedoch spezifischer und nennen die maximale Welligkeitsspannung, den erwarteten Einschaltstrom und geben einige Hilfshinweise für das Leiterplatten-Layout.

Die Abwärts/Aufwärts-Stromtopologie - Eine stabile und zuverlässige Lösung für batteriebetriebene IoT-Wearables

Die Herausforderung ist formuliert. Entwerfen Sie ein Energiesystem, das diese Anforderungen erfüllt:

• Stellen Sie eine Stromschiene innerhalb des Betriebsbereichs des ausgewählten Moduls bereit.
• Liefern Sie ausreichend Strom, um sowohl den durchschnittlichen als auch den Spitzenstrombedarf des Moduls zu decken.
• Erfüllen Sie alle oben genannten Anforderungen, ohne die maximale Restwelligkeit der Spannung zu überschreiten und ohne einen zu großen Spannungsabfall in der Stromschiene zuzulassen.
• Tun Sie all dies, während Sie auf einen physischen Raum beschränkt sind, der für eine tragbare Anwendung geeignet ist, und schaffen Sie es, die für den Anwendungsfall dieses Produkts relevanten gesetzlichen Normen zu erfüllen.

Wie bereits erwähnt, haben Zellularmodule strenge Anforderungen an ihre Stromversorgungssysteme. All dies kann innerhalb eines begrenzten physischen Raums erfüllt werden; für den Erfolg des Produkts müssen jedoch Überlegungen höherer Ordnung angestellt werden. Die Topologie in Abbildung 1 gibt den empfohlenen Ansatz wieder.

<Abbildung 1: Diagramm eines Buck-Boost-Schaltreglers auf hoher Ebene. (Bildquelle: Colorado Electronic Product Design)

Diese Topologie schneidet besser ab als einige der gebräuchlichen Entwurfsalternativen, die ebenfalls weiter unten erörtert werden. Im Folgenden werden die einzelnen Aspekte dieser empfohlenen Topologie, die jeweiligen Design-Herausforderungen und die Möglichkeiten zur Abmilderung dieser Veränderungen erläutert.

Batterie- und Akkupack-Widerstand

Der Innenwiderstand eines Akkupacks wird höher sein als der Widerstand des Akkus selbst. Dies ist auf die Schutzschaltung, die Verbindungsdrähte, die Sicherungen und andere Elemente zurückzuführen, die in den Akkupack einer tragbaren Anwendung eingebaut sind. Tabelle 3 zeigt die Aufschlüsselung für den durchschnittlichen, kleinen Lithium-Polymer-Akkupack, der in einem Mobiltelefon verwendet wird, das ein geeignetes Modell für ein tragbares IoT-Gerät ist.

Tabelle 3: Akkupackwiderstände (aufgeschlüsselt). (Bildquelle: Battery University Group)

1) Direktes Anschließen des Zellmoduls an die Batterie

Bei typischer Stromaufnahme führt dieser Widerstand nicht zu einem signifikanten Spannungsabfall; unter Spitzenlast könnten jedoch 0,13 V - 0,33 V von der Batteriespannung abfallen (die Spannungswerte basieren auf der kleinsten und höchsten Stromaufnahme der vorgestellten Zellmodule). Obwohl dieser Spannungsabfall die Stromschiene nicht unter den Mindestbetriebswert des Moduls drücken darf, führt er zu einem Abfall und einer Welligkeit, die außerhalb der Spezifikation dieser Zellmodule liegt. Die Leistung wird beeinträchtigt, so dass von einer direkten Versorgung des Moduls aus einer Batterie abgeraten wird.

2) Mehr Volumenkapazität verwenden

Ein weiterer Versuch, diesen Spannungsabfall zu überwinden, könnte darin bestehen, mehr lokale Kapazität hinzuzufügen. Diese Kapazität müsste jedoch während der gesamten Dauer der Stromaufnahme genügend Strom liefern und dies über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Produkts. Dies ist an sich schon eine anspruchsvolle Forderung, die passive Komponenten erfüllen müssen.

Dieser Ansatz wird noch komplizierter, wenn die erforderliche Schermenge der Kapazität berücksichtigt wird. Basierend auf der Stromgleichung eines Kondensators,

 Gleichung 1

Die Gleichung kann gelöst werden, um die erforderliche Kapazität für eine gegebene Spannung, einen gegebenen Strom und eine gegebene Zeitdauer zu berechnen,

 Gleichung 2

Wenn man den u-blox-Teil als Referenz verwendet, kann man sehen, dass der Hochstromimpuls für 0,6 ms (4,615 ms / 8) aktiv sein konnte.

<Abbildung 2: u-blox-Stromverbrauchsprofil. (Bildquelle: u-blox)

Wie viel Kapazität ist also erforderlich, um 2 Ampere für 0,6 ms zu liefern, um einen Spannungsabfall von 0,26 V zu überwinden? Unter Verwendung der obigen Gleichung beträgt der berechnete Wert 4,62 mF (4,62 X 10-3 Farad). Die größten Keramikkondensatoren, die am besten geeignet sind, da sie typischerweise einen geringeren äquivalenten Serienersatzwiderstand (ESR) haben, liegen bei etwa 680 μF und sind typischerweise keine oberflächenmontierbaren Bauteile. Mehrere davon müssten parallel geschaltet werden, und es müssten Spannungsabfall, Temperaturschwankungen und Toleranz berücksichtigt werden. Es gibt großvolumige Tantalkondensatoren, aber bei diesen begrenzt der ESR die Strommenge, die geliefert werden kann. Auch hier müssten mehrere davon parallel geschaltet werden, um den unerwünschten parasitären Eigenschaften der Komponenten Rechnung zu tragen.

Die Tatsache, dass mehrere Kondensatoren verwendet werden müssten, würde wertvollen Leiterplattenplatz innerhalb eines bereits begrenzten, tragbaren Produkts verbrauchen und die Materialkosten erheblich erhöhen. Darüber hinaus müsste die Kapazität jedes Mal neu ausgelegt werden, wenn die Batterie oder irgendetwas anderes innerhalb des Strompfades gewechselt wird. Diese Einschränkungen machen die kapazitive Lösung zu einem problematischen Ansatz zur Lösung dieser Designüberlegung.

Abwärts/Aufwärts-Schaltregler

Dieser Regler ist das Herzstück dieser Power-Design-Topologie. In diesem Abschnitt werden zwei kommerziell erhältliche Buck-Boost-Regulatoren vorgestellt. Jede dieser Optionen wäre eine geeignete Option für eine tragbare IoT-Anwendung. Bevor jedoch auf diese Besonderheiten eingegangen wird, sollen die wenigen Punkte helfen, die Notwendigkeit eines solchen Regulators zu erklären.

1) Ein Abwärtsregler ist nicht genug

An diesem Punkt wurde argumentiert, dass der direkte Anschluss eines Zellularmoduls an die Batterie keine gute Wahl für das Design ist. Dieser Abschnitt geht jedoch noch einen Schritt weiter und argumentiert, dass die Verwendung eines Abwärtsreglers zwar eine Verbesserung gegenüber einer direkten Batterieverbindung darstellen würde, dass es sich dabei aber immer noch nicht um ein Design handelt, das in der Mehrzahl der IoT-Anwendungsfälle für tragbare Geräte funktioniert. Der Impuls ist notwendig, und die folgenden Ausführungen erklären, warum.

Abbildung 3: Entladekurve einer Lithiumbatterie (3,7 V nominal) bei Entladeströmen von 0,2 C, 0,5 C und 1 C. (Bildquelle: Innovative Batterietechnologie)

Wenn eine Batterie noch 20 % ihrer Ladung hat, kann die Spannung der Batterie im Bereich von 2,8 V - 3,7 V liegen. Nun kann eine Unterspannungs-Schutzschaltung die Batterie abschalten, wenn die Spannung unter 3,0 V fällt. Ausgehend davon kann angenommen werden, dass der "effektive" Spannungsbereich für eine Batterie mit 20% Restkapazität im Bereich von 3,7 V - 3,0 V liegt. Koppelt man diese Information mit der Tatsache, dass ein Abwärtsregler erfordert, dass die Eingangsspannung größer oder gleich der Ausgangsspannung ist, beginnt das Design-Dilemma in den Fokus zu rücken.

Wenn VOUT auf 3,3 V eingestellt ist und ein Abwärtsregler verwendet wird, dann ist die niedrigste nutzbare Batteriespannung der Wert, den die Batterie halten kann, während das Zellenmodul seinen Spitzenstrom zieht, solange dieser Wert 3,3 V oder mehr beträgt.

Mathematisch wird die Effizienz berechnet als,

 Gleichung 3

Neuordnung dieser Gleichung,

 Gleichung 4

Unter der Annahme eines Wirkungsgrades von 90% für den Abwärtsregler muss dieser 3.3 V * 2.5 A = 8.25 W liefern, wenn das u-blox-Modul in einem solchen Design ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass die Eingangsleistung 8,25 W / 0,9 = 9,2 W betragen muss.

Anwenden der Gleichung,

 Gleichung 5

Es ist zu erkennen, dass die Eingangsspannung bei einem Nennwert der Batterie von 3,7 V 2,49 A liefern muss. Dies ist jedoch der dem Regler zugeführte Strom, der zuvor durch den Reihenwiderstand des Batteriepacks geflossen sein muss. Daher muss die tatsächliche Batteriespannung die Summe aus der Spannung am Eingang des Reglers und der über den Reihenwiderstand des Batteriepacks abfallenden Spannung sein: 3,7 V + (2,49 A * 0,13 Ohm) = 4,02 V. Somit wird ein Spannungsabfall von 0,32 V über den Reihenwiderstand des Batteriepacks realisiert.

Das bedeutet, dass der niedrigste nutzbare Wert, den dieser Akku haben kann, 3,3 V + VSeries_Resistance = ~3,62 V ist. Sollte die Spannung des Akkupacks darunter fallen, ist die Eingangsspannung zum Abwärtsregler nicht mehr größer oder gleich der Ausgangsspannung, und die Regelung würde ausfallen. Dieser Fehler in der Regelung würde dazu führen, dass die Stromschiene des Zellenmoduls durchhängt und auch die Anforderungen an Brummspannung und Durchhang verletzen. Die Leistung würde darunter leiden.

2) Zusätzliche Überlegungen

Kurz gesagt, der Boost-Teil des Buck-Boost-Reglers ermöglicht dem System den Zugriff auf die letzten 20% der Kapazität des Batteriepacks. Mit dem Abwärts/Aufwärtswandler wird die Stromschiene des Moduls so lange gehalten, wie die Batterie die Stromversorgung des Reglers aufrechterhalten kann, und es wird den Betrieb nicht vorzeitig beenden - wobei die Batterie noch geladen ist.

Es ist erwähnenswert, dass mit einem Buck-Boost-Regler die letzten 20% der Batterieladung schneller verbraucht werden als die vorherigen 80%. Dies ist auf die Erhöhung des Eingangsstroms zurückzuführen, die erforderlich ist, sobald die Eingangsspannung unter den Sollwert der Ausgangsspannung fällt. Dieser Stromanstieg sollte jedoch bei der Auswahl des maximalen Entladestroms des Akkupacks berücksichtigt werden.

3) Produktbeispiel - Renesas ISL91110

Die folgenden Grafiken veranschaulichen die Möglichkeiten dieses Teils. Dieser Teil verfügt über eine automatische Umschaltung von Leichtlastbetrieb auf Schwerlastbetrieb. Das effektive Ergebnis davon ist ein verbesserter Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich des Ausgangsstroms.

Abbildung 4: Renesas ISL91110 Effizienz vs. V_IN. (Bildquelle: Renesas)

Abbildung 5: Renesas ISL91110 0 A bis 2 A Lastübergang (V_IN = 3,6 V, V_OUT = 3,3 V). (Bildquelle: Renesas)

4) Produktbeispiel - ON Halbleiter FAN49103

Auch dieser Teil verfügt über eine automatische Umschaltung von Leichtlastbetrieb auf Schwerlastbetrieb. Obwohl die Parameter für eine Ausgangsspannung von 3,4 V (im Gegensatz zu 3,3 V) gelten, würde dieser Teil für diese Beispielanwendung funktionieren.

<Abbildung 6: ON Semiconductor FAN49103 Wirkungsgrad vs. I-Last (mA). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Abbildung 7: ON Semiconductor FAN49103 0 A bis 2 A Lasttransient (V_IN = 3,6 V, V_OUT = 3,4 V). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Lokale Kondensatoren

Die lokalen Kondensatoren haben zwei wichtige Aufgaben: die Bereitstellung lokaler Energiespeicherung zur Befriedigung plötzlicher Anstiege des Laststroms und das Herausfiltern hochfrequenter Transienten und Brummspannungen, die die Leistung beeinträchtigen können.

Die empfohlene Anordnung der Kondensatoren im Layout des Designs ist entscheidend. Die Platzierung sollte so erfolgen, dass das Zellenmodul von der saubersten erreichbaren Spannungsschiene versorgt wird. Das bedeutet, dass die Kondensatoren unmittelbar neben dem Zellmodul den niedrigsten ESR und ESL aufweisen müssen. Tatsächlich kann ihr tatsächlicher Kapazitätswert im Pikofarad-Bereich liegen. C0G-Keramikkondensatoren werden empfohlen.

Obwohl diese Kleinwertkondensatoren die Hochfrequenzfilterung recht gut bewerkstelligen, haben sie nur wenig Energiespeicher. Zu diesem Zweck wird ein größerer Tantal-Kondensator im Bereich von Hunderten von Mikro-Farad am weitesten von den Stromversorgungsanschlüssen des Zellenmoduls entfernt platziert. Das bedeutet nicht, dass es weit weg ist; es ist immer noch nah, nur nicht so nah wie die oben erwähnten Keramikkondensatoren. Ein zusätzliches, wichtiges Merkmal dieses großen Kondensators ist, dass sein ESR bei der Grundfrequenz des erwarteten Stromtransienten niedrig ist. Ein ESR von 100 mΩ bei 100 KHz wird empfohlen.

Abbildung 8 zeigt das empfohlene Layout für das MPCI-Zellularmodul von u-blox.

<Abbildung 8: Empfohlenes lokales Kondensator-Layout-Schema für die u-blox MPCI-L2-Serie. (Bildquelle: u-blox)

In Abbildung 8 sind C1 - C3 die Kondensatoren mit niedrigem Wert, niedrigem ESR, niedrigem ESL, C0G. C4 - C5 sind Keramiken im Bereich von 0,1 - 10 μF. C6 schließlich ist der große Wert von Tantal für niedrigen ESR bei der Grundfrequenz des transienten Laststroms.

Es ist äußerst wichtig, dass die Nennspannungen so gewählt werden, dass das Derating gemildert wird. Dies gilt insbesondere für die Keramikkondensatoren.

Dieser Abschnitt schließt mit einigen im Handel erhältlichen Kondensatoren. Die anwendbaren Parameter sind angegeben.

1) KEMET

Artikelnummer: T520D337M006ATE045

Kapazität: 330 μF

Toleranz: 20%.

Nennspannung: 6.3 V

ESR bei 100 KHz: 45 mΩ

2) Panasonic Electronic Components

Artikelnummer: 6TPF470MAH

Kapazität: 470 μF

Toleranz: 20%.

Nennspannung: 6.3 V

ESR bei 100 KHz: 10 mΩ

Überlegungen zum Layout-Design

Obwohl für jede der ausgewählten Komponenten die spezifischen Layout-Empfehlungen in den Datenblättern aufgeführt sind, gibt es einige allgemeine Layout-Richtlinien, die zu einer effizienten und geräuscharmen Leistung führen.

1) Masse und Leistung fließt

Verwenden Sie, wo immer möglich, polygonale Güsse. Dies gilt insbesondere für Verbindungen zur Eingangsspannung, zur Ausgangsspannung, zur Induktivität und zu den Masseknoten. Kurz gesagt: Schonen Sie kein Kupfer, da diese Ebenen niederohmige und niederinduktive Pfade für den Stromfluss bieten, was jegliche Stör- oder Schaltströme einschließt. Abbildung 9 ist ein empfohlenes Layout der obersten Schicht für die LTC3113 Buck-Boost von Lineartechnik, und es veranschaulicht gut die Bevorzugung von Kupfergussteilen.

<Abbildung 9: Von Linear Tech LTC3113 empfohlenes Layout der oberen Schicht. (Bildquelle: Linear Technology)

2) Dämpfer

Obwohl alle Anstrengungen unternommen wurden, um parasitäre Widerstände und Induktivitäten zu reduzieren, handelt es sich um ein größenbeschränktes, tragbares Design. Boden- und Energieflugzeuge werden nicht so groß sein, wie sie sein sollten. Die Bestimmungen in diesem Layout sollten die Platzierung einer RC-Dämpfungsschaltung ermöglichen. Obwohl diese Komponenten zunächst nicht bestückt werden müssen, profitieren die Konstrukteure von der Zuteilung der Grundflächen, falls diese Schaltung zur Reduzierung der Emissionen benötigt wird.

Diese parasitären Elemente tragen zum Klingeln innerhalb des Schalterstroms bei (Abbildung 10).

Abbildung 10: Klingeln innerhalb des Abwärtsregler-Schaltinduktorstroms. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

Nun kann dies, wie bereits erwähnt, aufgrund der Erfüllung der räumlichen Anforderungen unvermeidlich sein. Die Snubber-Schaltung, Abbildung 11, leitet diese Störenergien nach Masse ab. Ohne dies zu tun, könnten diese Schwingungen die Emissionen der Konstruktion über die akzeptablen Grenzwerte für die Einhaltung der Vorschriften hinausschieben. Die Snubber-Schaltung ist ein nützliches Werkzeug zur Beruhigung des räumlich beengten Reglers.

Abbildung 11: Buck-Regler empfohlene Position des RC-Dämpfers. (Bildquelle: ROHM Semiconductor)

3) Ferritperle

Die letzte Empfehlung lautet, jedes dauerhafte, hochfrequente Rauschen zu behandeln, das zusammen mit der Ausgangsleistung leitend ist. Platzieren Sie eine Hochstrom-Ferritperle, die so ausgewählt ist, dass sie die richtige Dämpfung bei den wichtigsten Frequenzen hat, in Reihe mit dem Ausgang des Abwärts/Aufwärtsregler-Ausgangs. Dieser sollte zwischen dem Ausgang des Reglers und den massiven Bypasskondensatoren platziert werden.

Fallstudie - LTC3113 zur Stromversorgung des SARA-Moduls von u-blox

Das SARA-Modul ist ein zellularer 3G-Transceiver. Genau wie die oben genannten Zellmodule kann auch sie in Schüben große Ströme ziehen, die aufgrund des Serienwiderstands die Spannung der Batterie absacken lassen. Der in Abbildung 12 dargestellte Schaltungsentwurf für den Abwärts/Aufwärts-Schaltregler LTC3113 wurde verwendet, um eine stabile und zuverlässige 3,3-V-Stromschiene für dieses Design zu gewährleisten.

Abbildung 12: Fallstudie LTC3113 Abwärts/Aufwärts-Schaltregler-Schaltung. (Bildquelle: Colorado Electronic Product Design)

Dieses Reglerentwurf führte in Kombination mit lokalen Bypass-Kondensatoren, die wie in Abbildung 12 dargestellt angeordnet sind, zu einer stabilen Stromschiene unter allen aufgenommenen Betriebsströmen. Das Oszilloskopdiagramm in Abbildung 13 zeigt den von der SARA gezogenen Strom (blau), die vom Abwärts/Aufwärtsregler kommende Ausgangsstromschiene bei 3,3 V (grün), die Eingangsbatteriespannung und jeglichen Durchhang auf dieser Schiene (violett) sowie die auf der Ausgangsstromschiene gemessene Welligkeitsspannung (orange).

Wie man sehen kann, verursacht diese große Stromspitze keinen Durchhang oder eine signifikante Welligkeit auf der geregelten 3,3-V-Ausgangsschiene. Es führt jedoch zu einem Durchhängen der Eingangsschiene.

Abbildung 13: Fallstudie LTC3113-Abwärts/Aufwärts-Schaltreglerschaltung, SARA-Modulzeichnung ~0,9 A Modulstrom (blau), 3,3-V-Ausgangsschiene (grün), Batterie-Eingangsschiene (violett) und 3,3-V-Ausgangsschienen-Welligkeit (orange). (Bildquelle: Colorado Electronic Product Design)

Auch hier bleibt die Stabilität und Zuverlässigkeit der Ausgangsschiene konstant bei soliden 3,3 V und mit minimaler Welligkeit. Die Batterieeingangsschiene erfährt jedoch einen Durchhang von ~0,32 V, was außerhalb der Spezifikation des SARA-Moduls und außerhalb der Spezifikation der anderen in diesem Papier erwähnten Module liegt. Der Abwärts/Aufwärtsregler ist in der Lage, diese Stromspitzen zu bewältigen und eine Stromschiene aufrechtzuerhalten, die für den Betrieb des Zellenmoduls unter allen erwarteten Bedingungen geeignet ist.

Fazit

Tragbare IoT-Designs stellen die Konstrukteure vor eine Reihe von Herausforderungen, und das Energiesystem befindet sich an der Konvergenz vieler dieser Herausforderungen. Die Abwärts/Aufwärtsregler-Topologie geht direkt auf diese Veränderungen ein, indem sie unter den verschiedenen Betriebsbedingungen eines Zellularmoduls eine stabile und zuverlässige Stromschiene bereitstellt. Das soll nicht heißen, dass keine sorgfältige Konstruktionsarbeit erforderlich ist. Vielmehr soll gesagt werden, dass diese Topologie funktionieren wird, wenn gute Entwurfspraktiken befolgt werden. Da tragbare IoT-Designs immer kompakter werden, werden auch die Leistungserwartungen steigen. Betrachten Sie diese robuste Topologie für die Versorgung kompakter, tragbarer Hochleistungs-IoT-Designs.

Danksagung: Besonderer Dank an Linear Tech/Analog Devices und an das Management und die Mitarbeiter von CEPD (Colorado Electronic Product Design).