Schaltkreisdesign des Buck-Boost-Wandlers: Maximierung der Laufzeit von Einzelzellen-Lithium-Ionen-Batterien mit dem 1A-Synchronregler ET80101

Entwerfen eines kompakten, hocheffizienten Geräts Buck-Boost-Wandlerschaltung ist immer dann von entscheidender Bedeutung, wenn eine geregelte Systemschiene – beispielsweise 3,3 V oder 3,5 V – kontinuierlich über einen Eingangsspannungsbereich arbeiten muss, der sowohl über als auch unter der Zielausgangsspannung schwankt. Ein frisch geladener Einzelzellen-Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion) oder Lithium-Polymer-Akku (LiPo) startet zwischen 4,2 V und 4,45 V (VIN > VOUT), durchläuft während der Entladung direkt die Regelzone von 3,3 V–3,5 V (VIN ≈ VOUT) und liefert weiterhin nutzbare Energie bis hinunter zu 2,7 V oder sogar 2,2 V bei gepulsten Lasten (VIN < VOUT).

Um die vollständige Batterieentladungskurve in platzbeschränkter Hardware freizuschalten, ETEK Mikroelektronik konstruierte die ET80101, ein synchroner 1-A-Abwärts-Aufwärts-DC/DC-Wandler mit extrem niedrigem Ruhestrom (< 5 µA) und einer 1-MHz-I²C-Schnittstelle in einem 1,28 mm × 1,28 mm großen WLCSP9-Gehäuse.

In diesem Artikel erfahren Sie:

• Warum einzellige Li-Ionen-Systeme eine nichtinvertierende Tiefsetzstellerschaltung benötigen
• Drei klassische Designhürden bei Buck-Boost-Topologien mit einer Induktivität
• Wie der ET80101 nahtlose 3-Mode-Übergänge, < 5 µA IQ und 1 MHz I²C-Spannungsskalierung erreicht
• Praktische Layout- und Induktorauswahlregeln für WLCSP9-Designs

Was ist eine Buck-Boost-Converter-Schaltung?

Ein nicht invertierender Synchronmotor Buck-Boost-Wandlerschaltung ist ein DC-DC-Schaltregler, der vier interne MOSFET-Schalter verwendet, die um eine einzelne Leistungsinduktivität herum angeordnet sind, um die Eingangsspannungen zu senken (Buck-Modus), zu erhöhen (Boost-Modus) oder sanft zu regeln, wenn Eingangs- und Ausgangsspannungen nahezu gleich sind (Buck-Boost-Modus). Dadurch kann eine feste 3,3-V- oder 3,5-V-Last über den gesamten Spannungsbereich einer entladenen Batterie betrieben werden.

Drei Herausforderungen bei Buck-Boost-Designs mit Einzelinduktivität

1. Modusübergangswelligkeit, wenn VIN ≈ VOUT

Bei schlecht gesteuerten Buck-Boost-ICs führt der Betrieb in der Nähe des Übergangspunkts, an dem die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung ist, dazu, dass der Controller wiederholt zwischen dem Abwärts- und Aufwärtsmodus hin- und herpendelt. Diese Modusumschaltung injiziert niederfrequente Wellen auf die Ausgangsschiene und stört empfindliche ADCs, Fingerabdrucksensoren und optische Module.

2. Batterieentladung bei geringer Belastung

Tragbare und tragbare Elektronikgeräte verbringen den größten Teil ihres Lebenszyklus im Leerlauf- oder Ruhezustand und verbrauchen Mikroampere. Wenn der Buck-Boost-Controller mehrere zehn Mikroampere Ruhestrom (IQ) verbraucht, sinkt die Laufzeit der Standby-Batterie stark.

3. Ausgangsverlust beim Herunterfahren

Herkömmliche Boost-Stufen enthalten einen intrinsischen Leitungspfad vom Eingang zum Ausgang durch die High-Side-Synchrongleichrichter-Body-Diode. Ohne echte Lasttrennung kann die Deaktivierung des Reglers die nachgeschalteten Lasten nicht von der Batterie isolieren.

Wie der ET80101 die Buck-Boost-Converter-Schaltung optimiert

Der ET80101 Behebt jede dieser Einschränkungen durch eine Hochfrequenz-Synchronarchitektur (> 1 MHz), die alle Leistungsschalter, Schleifenkompensation, Sanftanlauf und digitale Steuerung in einem Chip-Scale-Gehäuse auf Wafer-Ebene integriert.

Nahtlose 3-Modus-Übergänge (Buck, Buck-Boost und Boost)

Überall 2,2 V bis 5,0 V Eingangsspannungsbereich, der ET80101 liefert bis zu 1A Dauerausgangsstrom Dabei wird automatisch zwischen drei Betriebsmodi ausgewählt:

• Buck-Modus (VIN > VOUT): Reduziert hohe Batteriespannungen mit minimalen Schaltverlusten.
• Neuartiger Buck-Boost-Modus (VIN ≈ VOUT): Überbrückt den Übergangsbereich reibungslos, wenn sich die Eingangsspannung der Ausgangsspannung nähert.
• Boost-Modus (VIN < VOUT): Erhöht die Spannung tiefentladener Batterien auf 2,2V, wodurch ein vorzeitiges Zurücksetzen des Systems bei Spitzenstromstößen verhindert wird.

Modusübergänge erfolgen bei streng definierten Schwellenwerten, wodurch unerwünschte Modusumschaltungen in der Übergangszone VIN ≈ VOUT vermieden und die Welligkeit der Ausgangsspannung niedrig gehalten werden. Der Wandler unterstützt außerdem den Vorwärts- und Rückwärtsstrombetrieb mit speziellen Vorwärts- und Rückwärtsstromgrenzen.

< 5 µA Ruhestrom mit Auto-PFM- und Forced-PWM-Modi

Um die Akkulaufzeit zu maximieren tragbare Geräte und intelligente Schlösser zeichnet der ET80101 aus weniger als 5 µA Betriebsruhestrom Und weniger als 1 µA im Shutdown. Über I²C können Ingenieure zwischen zwei Schaltmodi wählen:

• Automatischer PFM-Modus (Pulsfrequenzmodulation): Aktiviert bei geringer Last automatisch die Impulsüberspringung, um über den gesamten Lastbereich einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
• Erzwungener PWM-Modus (FPWM): Behält kontinuierliches Schalten mit fester Frequenz (> 1 MHz) über alle Lastströme hinweg bei, um eine deterministische spektrale Leistung und minimale Ausgangswelligkeit zu gewährleisten.

Hardware-VSEL-Standardwerte plus 1 MHz dynamische I²C-Spannungsskalierung

Beim Einschalten – bevor die Host-MCU ihren I²C-Bus initialisiert – legt der VSEL-Pin sowohl die Standard-Hardware-Ausgangsspannung als auch die 7-Bit-I²C-Slave-Adresse fest, sodass zwei ET80101-Regler denselben I²C-Bus ohne externen Multiplexer teilen können:

Sobald der Host-Prozessor ausgeführt wird, kann er über kommunizieren High-Speed-Plus-Modus-I²C-Schnittstelle (bis zu 1 MHz) Zu:

• Programmieren Sie VOUT von 2,025 V auf 5,2 V in Ordnung 25 mV/Schritt Inkremente
• Anstiegsgeschwindigkeit des Steuerausgangsspannungsübergangs während der dynamischen Spannungsskalierung (DVS)
• Wählen Sie den Auto-PFM- oder FPWM-Modus im laufenden Betrieb
• Verwalten Sie das Starten/Herunterfahren der Software, Statusflags und Power Good (PG)-Signalisierung

Echte Lasttrennung, 500-µs-Softstart und vollständiger Schutz

Im Gegensatz zu Standard-Aufwärtswandlern implementiert der ET80101 Echte Lasttrennung Während des Herunterfahrens wird die Ausgangsschiene von der Eingangsbatterie isoliert. Im deaktivierten Zustand leitet ein integrierter aktiver Entladeschaltkreis die Ausgangskapazität zur Erde ab 20 ms.

Beim Einschalten erfolgt ein interner Festsender 500 µs Sanftanlauf begrenzt den Einschaltstrom der Batterie. Der Fehlerschutz umfasst eine zyklusweise Strombegrenzung, einen Schluckauf-Kurzschlussschutz, einen nicht selbsthaltenden Unterspannungsschutz (UVP) und eine thermische Abschaltung (TSD).

ET80101 Wichtige Spezifikationen

Typische Anwendungen

• Kompakte tragbare Geräte: Smartwatches, Fitnessbänder, AR/VR-Brillen und medizinische Patches, bei denen die Einzelzellen-LiPo-Spannung bei gepulster LED- oder drahtloser Übertragungslast unter 3,3 V fällt.
• Spannungsstabilisatoren: Datenkommunikationsgeräte, optische Transceivermodule und thermoelektrische Kühl-/Heizstufen (TEC).
• Systemvorregler: Bei Smartphones, Tablets, POS-Terminals und Telematikgeräten kommt es während HF-Ausbrüchen zu einem Spannungsabfall der Batterie.
• Point-of-Load (PoL)-Verordnung: Kabelgebundene Industriesensoren, Anschluss-/Kabeladapter und Dongles, die den Kabel-IR-Abfall ausgleichen.
• Fingerabdruck- und Kamerasensoren: Elektronische intelligente Türschlösser und IP-Netzwerkkameras erfordern eine stabile 3,3-V- oder 3,5-V-Sensorstromversorgung über Batterieentladungszustände hinweg.

Informationen zu Anforderungen an die Abwärtsspannung bei höherer Spannung finden Sie in unserem entsprechenden Artikel ETEK ET81313 17V 3A synchroner Abwärtswandler in SOT563.

PCB-Layout-Tipps für WLCSP9 Buck-Boost-Schaltungen

• Minimieren Sie sowohl Eingangs- als auch Ausgangsschaltschleifen: Da eine Abwärts-Aufwärtswandlerschaltung diskontinuierliche Ströme auf der Eingangsseite im Abwärtsmodus und auf der Ausgangsseite im Aufwärtsmodus schaltet, platzieren Sie X5R/X7R-Keramik-Entkopplungskondensatoren mit niedrigem ESR direkt neben den VIN-, VOUT- und GND-Bumps des WLCSP9-Gehäuses.
• Halten Sie Switching-Knoten kompakt: Platzieren Sie die Leistungsinduktivität so nah wie möglich an den Pins SW1 und SW2, indem Sie kurze, breite Kupferbahnen auf der oberen Schicht verwenden.
• Digitale Steuerleitungen isolieren: Verlegen Sie die 1-MHz-I²C-Leitungen (SDA, SCL) und VSEL von den Induktorschaltknoten weg, um eine kapazitive Rauschkopplung zu verhindern.
• Größe des Induktor-Sättigungsstroms für Boost-Betrieb mit niedriger VIN: Stellen Sie sicher, dass der Sättigungsstromwert des Induktors den Spitzenstrom des Induktors bei minimaler Eingangsspannung (2,2 V) und voller Ausgangslast von 1 A übersteigt.

Häufig gestellte Fragen

Warum sollte für eine einzellige Li-Ionen-Batterie eine Abwärts-Aufwärtswandler-Schaltung anstelle eines Standard-Abwärtswandlers verwendet werden?

Ein einzelliger Li-Ionen-Akku entlädt sich von 4,2 V–4,45 V auf 2,7 V–2,5 V und kann bei starken Stromimpulsen oder kalten Temperaturen vorübergehend auf 2,2 V absinken. Ein Abwärtswandler verliert die Regelung, sobald die VIN in die Nähe von 3,4 V fällt, wodurch 20 % bis 35 % der Batteriekapazität ungenutzt bleiben. Der ET80101 Buck-Boost-Wandlerschaltung regelt stufenlos nach unten 2,2V, wodurch die volle nutzbare Ladung extrahiert wird.

Kann der ET80101 ohne I²C-Softwareprogrammierung betrieben werden?

Ja. Während die 1-MHz-I²C-Schnittstelle eine dynamische Spannungsskalierung ermöglicht 2,025 V bis 5,2 V (in 25-mV-Schritten) und Modusauswahl startet der ET80101 autonom über seinen Hardware-VSEL-Pin: Bindung der VSEL-Low-Ausgänge 3,3 V (0x76) und Verknüpfung der VSEL High-Ausgänge 3,5V (0x75).

Können zwei ET80101 Buck-Boost-Regler denselben I²C-Bus teilen?

Ja. Da der VSEL-Pin zwei unterschiedliche 7-Bit-I²C-Slave-Adressen konfiguriert:0x75 (1110101) wenn VSEL = High und 0x76 (1110110) wenn VSEL = Low – zwei ET80101-Geräte können direkt an denselben SDA/SCL-Bus angeschlossen werden und nach dem Start unabhängig voneinander programmiert werden.

Was passiert mit der Ausgangsschiene, wenn der ET80101 heruntergefahren wird?

Bei Deaktivierung wird der ET80101 aktiviert Echte Lasttrennung um den Ausgang von der Eingangsversorgung zu isolieren (< 1 µA Abschaltstrom) und aktiviert einen internen aktiven Entladeschalter, der die Ausgangsschiene im Inneren zur Erde entlädt 20 ms.

Fazit: Volle Akkuausnutzung bei einer Stellfläche von 1,28 mm × 1,28 mm

Für einzellige Li-Ionen-Wearables, Smart Locks und optische Module gilt das ET80101 liefert einen kompletten 1A-Synchronstrom Buck-Boost-Wandlerschaltung mit nahtlosen 3-Modus-Übergängen, < 5 µA Ruhestrom und 1 MHz I²C-Programmierbarkeit in einem ultrakompakten WLCSP9-Gehäuse.

👉 Besuchen Sie die ET80101 Produktseite und erkunden Sie ETEKs DC-DC-Wandler-Portfolio

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