Power-Tipp Batteriebetriebene Schaltungen: So erhöhen Sie die Effizienz

Fügt man einen DC/DC-Wandler zu einer batteriebetriebenen Schaltung hinzu, arbeitet das System effizienter und die Laufzeit der Batterieladung verlängert sich. In diesem Power-Tipp erklären wir, wie es geht.

Batteriebetriebene Schaltungen müssen energieeffizient sein, damit die Batterie möglichst lange hält. Hierzu werden energieeffiziente Bauteile ausgesucht und zu einem System zusammengefügt. Je weniger Bausteine in einer Schaltung verwendet werden, desto energieeffizienter ist das Gesamtsystem. Bild 1 zeigt einen elektrischen Wasserzähler als Beispiel für ein batteriebetriebenes Gerät. Das System nutzt den Mikrocontroller MAX32662, der mit einer Versorgungsspannung auskommt. Der Eingangsspannungsbereich liegt zwischen 1,71 und 3,63 V.

Der Mikrocontroller kann also direkt von der Batterie versorgt werden, welche in obigem Beispiel eine Spannung, je nach Temperatur und Ladezustand, zwischen 2 und 3,6 V liefert. Es werden in der Schaltung nur wenige zusätzliche Komponenten benötigt und somit könnte die gesamte Effizienz des Systems sehr hoch sein. Jedoch ist der Stromverbrauch des Mikrocontrollers weitestgehend unabhängig von der tatsächlichen Versorgungsspannung. Ob der Mikrocontroller also mit 2 V oder 3,6 V betrieben wird, ist für diesen Baustein nicht relevant.

Für solche Fälle eignen sich Nanopower-Schaltregler. Mit ihnen kann man die Batteriespannung effizient auf einen niedrigen Wert, beispielsweise 2 V, wandeln. Nanopower-Schaltregler liefern am Ausgang den benötigten Strom für den Mikrocontroller, benötigen batterieseitig bei der höheren Spannung weniger Strom. Bild 2 zeigt die Schaltung des Wasserzählers mit einem zusätzlich hinzugefügten hocheffizienten Nanopower-Schaltregler, dem MAX38650.

Durch diesen zusätzlichen Baustein lässt sich die Laufzeit einer Batterie massiv steigern. Laufzeitverlängerungen von 20% und mehr sind durchaus möglich, der genaue Einsparungseffekt ist in jedem Einzelfall unterschiedlich, da Parameter wie Temperatur, Spitzenströme, periodenweise Abschaltung des Sensors usw. dies beeinflussen. Entscheidend ist, welche Eigenstromaufnahme der hinzugefügte DC/DC-Wandler hat. Bei erhöhtem Energieverbrauch des Schaltreglers heben sich die erhofften Einsparungen wieder auf.

In Bild 3 ist eine Schaltung mit dem Nanopower-Spannungsregler MAX38650 gezeigt. Wie der Name bereits andeutet, liegt die Eigenstromaufnahme dieses Bausteins im Nano-Ampère-Bereich. Während des Betriebes wird vom Schaltregler ein Eigenversorgungsstrom von 390 nA aufgenommen. In Zeiten, in denen der DC/DC Wandler abgeschaltet werden kann, zieht er nur noch 5 nA. Ein solcher Nanopower-Spannungswandler eignet sich also hervorragend zur Energieeinsparung eines Systems aus Bild 1.

In Bild 3 ist auch zu erkennen, dass nur wenige passive externe Bauteile benötigt werden. Anstelle eines Widerstandsteilers zum Einstellen der Ausgangsspannung wird die Spannung mit nur einem Widerstand am R_sel-Pin eingestellt.

Ein Widerstandsteiler zieht beträchtlichen Strom, welcher je nach Spannung und Widerstandswert in einem Widerstandsteiler die Eigenstromaufnahme des MAX38650 bei weitem übersteigen kann. Somit nutzt der IC einen Einstellwiderstand, der nur während des Einschaltens der Schaltung kurz gecheckt wird.

Der IC erkennt den Sollwert der Ausgangsspannung dadurch, dass für kurze Zeit beim Einschalten ein Strom von 200 µA durch diesen Einstellwiderstand geführt werden. Die sich ergebene Spannung wird gemessen und dann im IC abgespeichert. Somit ergeben sich dann im Betrieb keine Energieverluste durch einen herkömmlichen Spannungsteiler. (kr)

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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