Fachbeitrag: Isolierter 1mW-DC-DC-Wandler

gesehen in „Bodo’s Power Systems“ Nr. 01, Seite 20, Januar 2012

Quelle: Bodo's Power Systems/TI

In ihrem „1mW Isolated DC/DC Converter“ übertitelten englischsprachigen Beitrag stellen Milan Marjanovic und Mathias Ulman von Texas Instruments einen isolierten 1mW-DC/DC-Wandler für Messtechnik- und Sensoranwendungen vor, der über den Sensordatenbus mit Strom versorgt werden kann. Entsprechend sportliche Ziele haben sich die Ingenieure bei der Entwicklung des Wandlers gesetzt: Einen Eingangspannungsbereich von -3,1 bis max. +3,4 V, eine maximalen Eingangsstrom von 1,1 mA, eine Ausgangsspannung von +/- 3,1 V, einen Ausgangsstrom von max. 0,3 mA, eine Ausgangsspannungswelligkeit von max. 5 mVss, eine Isolationsspannung von 500 Vrms. Bei einem Lastsprung soll der Wandler zudem 2 mA für 10 ms bei 10 Hz bereit stellen können. Ein Spitzenwirkungsgrad von min. 27% soll erreicht werden.
Um die erforderliche Effizienz erreichen zu können, müssen die Verluste in allen Elementen des Converters so klein wie nur irgend möglich ausfallen. Die Wahl fiel daher auf eine Architektur mit einem Low-Power-PWM-Controller. Nach einer Evaluierung möglicher PWM-Lösungen (siehe Bild) entschied sich das Team für eine MCU-basierte Topologie. Grund: Wegen der nicht zu akzeptierenden zu hohen Anlaufspannung von über 4 V der „Flyback“- und der „Analog“-Push-Pull-Topologie kamen nur die Push-Pull-Topologien „CMOS“ und „Digital“ sowie die Fly-Buck-Topologie in die engere Wahl. Ein Ansatz zur Erzeugung des PWM-Signals mit OPAMPs mit integrierten Timer (NE555) wurde wegen der zu hohen Leistungsaufnahme verworfen. In einem weiteren Test kam der CMOS-Generator auf eine Leistungsaufnahme von etwa 3,5 mW, während die MCU-Lösung mit einem MSP430G2132 das Power-Budget nur mit 180µW belastet und damit das Rennen machte. Bei der Stromversorgung griffen die Ingenieure auf einen 1,8V-LDO vom Typ TPS71501 mit einer besonders niedriger Stromaufnahme (5µA) zurück. Die im Beitrag näher beschriebene Schaltung erreicht eine Spitzeneffizienz von 50%. Zum Schluss des Beitrags belegen die Autoren noch die Einhaltung der Vorgaben.

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JR’s Bewertung: Schöner Fachbeitrag. Schade nur, dass Texas Instruments nicht gleich die Wandler-Schaltung als CAD-Daten bereitstellt.