Batteriebetriebene Schaltungen müssen energieeffizient sein, damit die Batterie lange hält. Dazu werden energieeffiziente Komponenten ausgewählt und zu einem System kombiniert. Dabei gilt: Je weniger Bauelemente ein Stromkreis hat, desto energieeffizienter ist das Gesamtsystem. Abbildung 1 zeigt einen elektrischen Wasserzähler als Beispiel für ein batteriebetriebenes Gerät. Bei diesem System kommt ein MAX32662-Mikrocontroller mit nur einer Versorgungsspannung zum Einsatz. Der Eingangsspannungsbereich liegt zwischen 1,71 V und 3,63 V.

Der Mikrocontroller kann direkt von der Batterie versorgt werden, die je nach Temperatur und Ladezustand eine Spannung von 2 V bis 3,6 V liefert. In der Schaltung sind nur wenige zusätzliche Komponenten erforderlich, so dass die Effizienz des Gesamtsystems sehr hoch ist. Die Stromaufnahme des Mikrocontrollers ist jedoch weitgehend unabhängig von der tatsächlichen Versorgungsspannung. Dabei ist es für den IC unerheblich, ob der Mikrocontroller mit 2 V oder 3,6 V betrieben wird.

In solchen Fällen können die neuen Nanopower-Schaltregler eingesetzt werden. Mit diesen Schaltreglern kann die Batteriespannung effizient auf einen niedrigeren Wert, beispielsweise 2 V, umgewandelt werden. Ein Nanopower-Schaltregler liefert am Ausgang den erforderlichen Strom für den Mikrocontroller, benötigt aber weniger Strom bei der höheren Spannung auf der Batterieseite. Abbildung 2 zeigt die Schaltung für einen Wasserzähler mit einem zusätzlichen hocheffizienten Nanostrom-Schaltregler, einem MAX38650.

Durch den Einsatz dieses ICs kann die Lebensdauer der Batterie erheblich verlängert werden. Dabei sind Lebensverlängerungen von 20 % und mehr ohne weiteres möglich. Aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren wie Temperatur, Spitzenströme, periodisches Abschalten des Sensors und anderen ist der genaue Einspareffekt jedoch von Fall zu Fall unterschiedlich. Entscheidend ist hier der Ruhestrom des zusätzlichen DC/DC-Wandlers. Verbraucht der Schaltregler zu viel Energie, verpuffen die erhofften Einsparungen.

Abbildung 3 zeigt eine Schaltung mit dem Nanopower-Spannungswandler MAX38650. Wie der Name schon sagt, liegt der Ruhestrom dieses ICs im Nanoampere-Bereich. Im Betrieb weist der Wandler einen Ruhestrom von nur 390 nA auf. Wenn der DC/DC-Wandler abgeschaltet werden kann, benötigt er lediglich 5 nA Abschaltstrom. Dieser Nanopower-Spannungswandler eignet sich ideal für den energieeffizienten Betrieb von Systemen, wie sie in Abbildung 1 dargestellt sind.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, sind nur wenige passive externe Bauelemente erforderlich. Anstelle eines Spannungsteilers wird die Ausgangsspannung mit nur einem Widerstand am RSEL-Pin eingestellt. Ein Spannungsteiler mit Widerstand hat einen erheblichen Stromverbrauch, der je nach Spannung und Widerstand den Ruhestrom des MAX38650 deutlich übersteigen kann. Daher wird in diesem IC ein variabler Widerstand verwendet, der beim Einschalten der Schaltung nur kurz abgefragt wird. Der IC erkennt den Sollwert für die Ausgangsspannung, weil beim Einschalten kurzzeitig 200 µA Strom durch diesen variablen Widerstand fließen. Die daraus resultierende Spannung wird berechnet und dann intern im IC gespeichert. Es gibt also keine Energieverluste beim Betrieb über einen herkömmlichen Spannungsteiler.

Fazit

Durch den Einsatz eines Spannungswandlers in einem bestehenden System lässt sich der Wirkungsgrad des Systems erhöhen und die Lebensdauer einer Batterie verlängern. Somit lässt sich die Batterielaufzeit um bis zu 20 % verlängern.