Eine der wichtigsten Entscheidungen für Entwickler von tragbarer Elektronik ist die Wahl der Batterietechnologie. Die vier gängigsten Typen sind Zellen aus Alkali, Nickel-Kadmium (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) und Lithium-Ionen (Li-Ion). Jede von ihnen hat spezifische Vor- und Nachteile.
Eine voll geladene Alkalizelle erzeugt typischerweise eine Spannung von rund 1,5 V. Mit der Energieentnahme aus der Batterie sinkt diese Spannung, bei rund 90 Prozent Entladung beträgt sie noch etwa 0,9 V. Wegen ihrer Kombination aus relativ hoher Kapazität bei hohem Innenwiderstand sind Alkali-batterien ineffizient für Anwendungen mit hohem Strombedarf, wie etwa bei ferngesteuerten Modellautos, Kamerablitzgeräten und schnurlosen Elektrowerkzeugen.
Die Anwendung entscheidet
Bei solchen Hochstromanwendungen sind NiCd-Batteriezellen eine sehr langlebige und kostengünstige Option. Sie bieten eine Nennspannung von 1,2 V, die am Ende der Batterielaufzeit bei rund 0,9 V liegt. Ihre Nachteile sind eine relativ geringe Energiedichte und ihr Gehalt an toxischen Metallen. Ausserdem benötigen sie regelmässig eine vollständige Entladung, um die Bildung von grossen Kristallen an den Zellenplatten zu vermeiden, die die Batterielaufzeit und -leistung beeinträchtigen würden.
Demgegenüber sind NiMH-Zellen umweltfreundlicher und bieten eine um etwa 40 Prozent höhere Energiedichte als NiCd-Batteriezellen. Ihre Nennspannung liegt bei rund 1,25 V und fällt am Ende der Batterielaufzeit auf unter 1,0 V ab. Zu den Nachteilen von NiMH zählen eine erheblich höhere Selbstentladung und eine im Vergleich zu NiCd geringere Alterungsbeständigkeit, die vor allem durch Entladezyklen unter grosser Last und bei extremen Temperaturen beeinträchtigt wird.
Unterhaltungselektronik setzt auf Lithium-Ionen-Zellen
In den meisten tragbaren Unterhaltungselektronikgeräten verwendet man Lithium-Ionen-Batterien. Eine voll geladene einzelne Zelle hat eine Leerlaufspannung von rund 3,6 V, die bei Vollentladung auf etwa 2,7 V abfällt. Zu den Vorteilen zählen geringeres Gewicht, höhere Zellenspannungen und bei Lithium-Polymer-Versionen die Möglichkeit der Formgestaltung. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Energiedichte im Zuge der technischen Entwicklung bei tendenziell sinkenden Kosten weiterhin zunimmt und aktuell etwa die zweifache Zellenenergie einer normalen NiCd-Zelle beträgt. Der grösste Nachteil ist ein Explosionsrisiko bei Überladung. Aufgrund dieser berechtigten Sicherheitsbedenken bevorzugen manche Hersteller NiMH-Batterien, besonders wenn Abmessungen und Gewicht keine kritischen Faktoren sind.
Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad für lange Batterielaufzeit
Wissen über DC/DC-Wandler-Architekturen ist entscheidend, wenn man die Gesamtleistung eines Designs optimieren will. Meist stehen hier Linearregler, Schaltregler und Ladungspumpen zur Auswahl. Es gibt zwar mehrere Arten von Linearreglern, meist kommt aber bei batteriebetriebenen Anwendungen ein Low-Dropout-Regler (LDO) zum Einsatz. Dabei nutzt man einen rückgekoppelten Transistor mit leitendem P-Kanal als variablen Widerstand zur Regelung einer gegebenen Ausgangsspannung.
Im Vergleich dazu nutzt ein Schaltregler eine Diode, eine Induktivität und einen Schalter zur Übertragung der Energie vom Eingang. Er enthält eine Ausgangsstufe, die entweder in Buck-, Boost- oder Buck/Boost-Topologie konfiguriert ist. Ein Buck-Regler liefert eine geregelte Ausgangsspannung, die kleiner als die Eingangsspannung ist. Damit ähnelt er der Funktion eines LDO. Ein Boost-Schaltregler liefert eine Ausgangsspannung, die höher als die Eingangsspannung ist, während ein Buck/Boost-Regler eine geregelte Ausgangsspannung über einen Bereich von Eingangsspannungen liefert, die über und unter dem Wert der Ausgangsspannung liegen können.
Ladungspumpe mit variabler Ausgangsspannung
Der dritte Reglertyp – die Ladungspumpe – nutzt einen Kondensator als Energiespeicher- element und besitzt Schalter zur Verbindung der Ladungsplatten des Kondensators mit der Eingangsspannung. Je nach Schaltungstopologie kann eine Ladungspumpe eine geregelte Ausgangsspannung verdoppeln, verdreifachen, invertieren, halbieren oder sogar einen beliebigen Spannungswert erzeugen. Da Lade- und Entladekondensatoren die Energie übertragen, kann eine Ladungspumpe nur einen relativ niedrigen Ausgangsstrom von höchstens einigen 100 mA liefern.
DC/DC-Wandlerschaltung mit Ein- und Ausgangskondensator
Bei DC/DC-Wandlerschaltungen gibt es eine Reihe von Techniken zur Verlängerung der Batterielaufzeit – beispielsweise die Platzierung eines Ein- und Ausgangskondensators. In dieser Konfiguration kann der zum Öffnen und Schliessen eines Eingangsschalters verwendete Schaltregler Stromspitzen am Eingangspin verursachen. Diese lassen sich durch die Nutzung eines grossen Eingangskondensators als Ladungspuffer minimieren. Ein solcher Schaltungsaufbau kann sich negativ auf die Batterielaufzeit auswirken, da der Innenwiderstand je nach Batteriechemie zu einem relevanten Faktor werden und der pulsierende Strom von der Batterie zu einem nennenswerten Spannungsabfall über die Batteriezelle führen kann. Ein grös-serer, zwischen Batterie und Schaltregler angebrachter Eingangskondensator verringert die transienten Stromspitzen, sodass der Spannungsabfall über der Batterie abnimmt. Durch eine Minimierung dieser Spannungsabfälle verlängert sich die Batterielebensdauer.
Bei Low-Power-Anwendungen, die einen Grossteil ihrer Zeit im Stand-by- oder Sleep- Modus verbringen, muss der Regler eventuell nicht die ganze Zeit aktiv sein. In einem solchen Fall kann ein grösserer Ausgangskondensator den geringen benötigten Laststrom liefern und damit einen besseren Energiewirkungsgrad erzielen. Durch zyklisches Ein- und Ausschalten des Reglers lässt sich der Kondensator bei Bedarf nachladen.
Dynamische Spannungsskalierung bietet Flexibilität
Eine dynamische Skalierung der Spannung ist ein weiteres gängiges Verfahren zur Maximierung der Batterielaufzeit. Betreibt man eine digitale Last, zum Beispiel einen Mikrocontroller, an einer geringeren Spannung, so benötigt dieser weniger Strom und verbraucht daher auch weniger Leistung. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass ein bei geringer Spannung betriebener Mikrocontroller nur begrenzte Rechenleistung und Ausgangsfähigkeiten bietet. Mit dynamischer Spannungsskalierung kann er bei niedriger Spannung im Stand-by- oder Sleep-Modus nur wenig Leistung verbrauchen, während er zur Verarbeitung oder Übertragung von Daten auf einer höheren Betriebsspannung läuft. Diese Technik kommt häufig bei Berechnungsaufgaben oder vielen anderen batteriebetriebenen Anwendungen zum Einsatz, bei denen der Mikrocontroller in unterschiedlichen Betriebsarten arbeitet.
Auch das Zeitverhältnis zwischen Normalbetrieb und Stand-by- oder Sleep-Modus für jede Anwendung beeinflusst die Batterielaufzeit. Während Anwendungen wie CO2-Detektoren meist im Dauerbetrieb arbeiten, können andere im Stand-by- oder Sleep-Modus bleiben, bis sie benötigt werden. Beispiele für solche Anwendungen mit intermittierendem Betrieb sind intelligente Wasserzähler, Fernsteuerungen und lichtgestützte Rauchmelder.
Stromsparende Analogtechniken als Schlüsselfaktor
Bei der Verwaltung des Leistungsbudgets für Analogbauteile sind die Optionen weniger klar. Auch wenn es nach wie vor entscheidend ist, in Systemen mit aktivem Dauerbetrieb Analog-ICs mit besonders niedrigem Aktivstrom einzusetzen, so muss man bei Anwendungen mit einem bestimmten Tastverhältnis zwischen Aktiv- und Ruhezustand für den Stromverbrauch auch Einschwingzeiten berücksichtigen. Eventuell kann ein schnellerer Baustein mit höherem Betriebsstrom einen besseren Langfrist-Wirkungsgrad bieten als eine Alternative mit geringerem Stromverbrauch, aber langsamerer Reaktionszeit.
Die Wahl der richtigen Batterietechnologie und geeigneter digitaler Power-Management-Techniken zählt zu den gängigen Aufgaben für Entwickler, die nach langen Batterielaufzeiten streben. Die Implemen- tierung von stromsparenden Analogtechniken ist oft eine ausgefallenere Aufgabe, sie kann aber eine wichtige Rolle für die Verringerung von Batterielaufzeiten und zur Gewährleistung eines optimalen Systemverhaltens spielen.
Infoservice
Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 75 99 www.microchipdirect.com
