Smarte Power
Ricohs neue DC/DC-Converter RP400 und RP500 für batteriebetriebene Geräte
Batteriebetriebene mobile Geräte müssen besonders sparsam mit der verfügbaren On-Board-Energie umgehen. Dies beginnt bei der Bereitstellung einer stabilen Versorgungsspannung, die aus einer stetig sinkenden Batteriespannung zu erzeugen ist. Linearregler können das leisten, brillieren aber nicht gerade mit hohem Wirkungsgrad, was in doppelter Weise kontraproduktiv ist: Nicht nur, dass sie wertvolle Energie verheizen, sie brauchen genau aus diesem Grund auch größere Gehäuse, um nicht einem Hitzekollaps zu erliegen. Schaltregler sind da weitaus effizienter, doch scheuen viele Entwickler den Einsatz aus Gründen der EMV und komplizierterer Implementierung. Ricoh hat nun auf diese Markterfordernisse reagiert und stellt mit seiner neuen Familie von DC/DC-Convertern hoch effiziente, störungsarme und einfach zu implementierende Lösungen vor.
- Abbildung 1: Evalboard mit dem RP500 im Chip-Scale Package. Das Board misst gerade mal 25.4 x 25.4 mm, das IC (links oberhalb von „C1“) ist 1.29 mm lang und 0.87 mm breit. Immerhin schafft der Wandler eine Ausgangsleistung von etwa 1.5 Watt.
Abwärtswandler
DC/DC-Abwärtswandler werden heute für ähnliche Aufgaben eingesetzt wie LDOs und müssen die elektrische Versorgung moderner und schneller Prozessoren mit ihren typischerweise sehr raschen Lastwechseln sicherstellen. Portable Geräte können in den unterschiedlichsten Betriebsmodi arbeiten, jede davon mit ganz spezifischen Lastcharakteristika. Der neue RP500 von Ricoh ist derzeit einer der kleinsten DC/DC-Abwärtswandler am Markt und erfüllt all diese Anforderungen an Präzision, Stabilität, Effizienz, Leistung und geringem Platzverbrauch. Die Version im Chip-Scale-Gehäuse (WLCSP) braucht eine Fläche von nur etwa 1mm2, was dem Einsatz in besonders kleinen und dicht bepackten Baugruppen wie beispielsweise tragbaren Gadgets sehr entgegen kommt. Das Gehäuse ist gerade mal so groß wie der verpackte Chip und hat seine elektrischen Anschlüsse in Form von Lotkugeln auf der Unterseite. Weitere Faktoren, die zur Reduktion des Platzbedarfs beitragen, liegen in der Schaltfrequenz von 1.2 MHz mit der Folge sehr kleiner Induktivitäten, integrierte Treibertransistoren und eine ebenfalls integrierte synchrone Gleichrichtung, die externe Dioden überflüssig macht.
Der Anwender kann zwischen einer Ausführung mit PWM-Regelung und einer PWM/VFMVersion auswählen, die je nach Strombedarf automatisch zwischen PWM- und VFM-Regelung umschaltet und damit für niedrige als auch hohe Ströme den jeweils besten Wirkungsgrad erzielt.
Zum umfassenden Schutz des Bauelementes sind zahlreiche Schaltungen eingebettet, die einen sicheren Betrieb gewährleisten. Eine sog. Under- Voltage-Lockout Funktion (UVLO) schaltet den RP500 ab, falls die Eingangsspannung unter eine bestimmte Schwelle fällt. Eine Überstrombegrenzung limitiert den Spitzenstrom in die Induktivität (Lx) bei jedem Taktzyklus und schaltet das IC in eine Schutzbetriebsart, wenn der Überstrom für mehr als 1.5ms bestehen bleibt. Die Überstrombegrenzung verhindert Schaden am DC/DC-Converter als auch an anderen elektronischen Teilen der Anwendung. Eine eingebaute Soft-Start-Funktion bootet die internen Schaltungen innerhalb von 0.1ms.
Die Ausgangsspannung wird durch einen Laser-Trimmungsprozess fest eingestellt und kann in Inkrementen von 100mV (50mV bei kundenspezifischer Bestellung) in einem Bereich von 1.1V bis 5.5V gewählt werden.
- Abbildung 2: Wirkungsgrad des RP500 in 3.3 Volt Ausführung - mehr als 90% sind möglich.
Mehr smarte Power – RP501 und RP502
Wer noch mehr Leistung aus den Winzlingen quetschen will, hat inzwischen die Möglichkeit, anstelle des RP500 mit 1.2 MHz Taktfrequenz auch den RP501 mit 2.25 MHz und 1A Ausgangsstrom oder den RP502 mit 3.3 MHz auszuwählen. Letzterer dürfte dann noch etwas mehr Ausgangsleistung haben, die endgültige Spezifikation ist noch nicht fixiert.
- Abbildung 3: Evalboard mit dem Ricoh Aufwärtswandler
Andersherum geht’s auch – der RP400 Step-Up-Converter
Der RP400 ist Nachfolger bestehender Ricoh-Produkte wie z.B. dem R1210. Wirkungsgrad und Ausgangsleistung des Wandlers konnten deutlich erhöht werden und auch die Ripple-Spannung am Ausgang sowie die Regeleigenschaften haben sich verbessert. Mit der automatischen Switch-Over-Schaltung wechselt der RP400 seine Betriebsart zwischen PWM und VFM abhängig vom Strombedarf am Ausgang und ermöglicht damit einen hohen Wirkungsgrad sowohl bei kleinen als auch großen Ausgangsströmen. Eine Schaltung zur Klirrunterdrückung schaltet einen Widerstand parallel zur Induktivität und vermeidet damit Verzerrungen des Signalverlaufs am Lx-Pin während des nichtperiodischen Stromsteuerungs- Betriebs und vermeidet damit EMV-Abstrahlung. Der RP400 startet bereits bei einer typischen Eingangsspannung von 0.7 Volt und braucht nur etwa 0.7 ms, um seine internen Schaltungen zu initialisieren.
Zielapplikationen für den RP400 sind Geräte mit Batterieversorgung, bei der die Versorgungsspannung konstant gehalten werden muss, obwohl die Batteriespannung mit der Zeit abnimmt.
Der Baustein ist in unterschiedlichen Varianten mit oder ohne Chip-Enable-Pin verfügbar und als Version mit Festspannung (durch Lasertrimmung justiert) oder als Version mit einstellbarer Ausgangsspannung mit 2 zusätzlichen externen Widerständen.
Für einen stabilen Betrieb werden kleine keramische Kondensatoren mit niedrigem ESR und einer Kapazität von mindestens 10 μF empfohlen. Der RP400N ist in einem SOT23-5 Gehäuse unter gebracht, der RP400K in einem winzigen PLP1820-8 Gehäuse.
Technology Transfer 2008 Heft 2
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