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12-2014

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hf-praxis 12-2014

SPI-Schnittstelle Bild

SPI-Schnittstelle Bild 14: Daisy-Chain-Timing-Diagramm Bild 15: Parallele Konfiguration dafür wird ein bisschen aufwändiger und erfordert den Einsatz von Invertern und Flipflops. Daher gilt die Empfehlung, dies zu vermeiden, weil Timingprobleme entstehen können. Topologien Die SPI-Schnittstelle ermöglicht verschiedene Topologien, durch die der Master einen oder mehrere Slaves steuern kann. • Standalone-Topologie In dieser Konfiguration gibt es nur einen Slave und einen Master, wie Bild 12 zeigt. • Daisy-Chain-Topologie In dieser Konfiguration gibt es einen Master und mehrere Slaves, die gemäß Bild 13 in Serie geschaltet sind. Der Hauptvorteil dieser Konfiguration ist die geringere Anzahl erforderlicher Verbindungen. Beim Arbeiten in dieser Betriebsart muss oft die Taktperiode verlängert werden, aufgrund der Laufzeitverzögerungen zwischen aufeinanderfolgenden Interfaces. Außerdem sollte die Anzahl der Takte vergrößert werden, da die Anzahl der erforderlichen Takte die Summe aus U1 und U2 (siehe Bild 13 ) ist. Den typischen Übertragungsablauf in einer Daisy-Chain- Konfiguration zeigt Bild 14. Das erste Datenwort wird dem letzten angeschlossenen Slave zugewiesen, das letzte dem ersten Slave in der Kette. Parallele Konfiguration In dieser Konfiguration gibt es einen Master und mehrere Slaves, die gemäß Bild 15 parallel verbunden sind. SCLK und SDI werden mit allen Interfaces geteilt. Wegen der höheren parasitären Leitungskapazität wird empfohlen, die Taktperiode etwas zu erhöhen. ◄ 30 hf-praxis 12/2014

Stromversorgung Wie wenig Leistungsverbrauch ist in einem Low-Power-Design wirklich genug? Bild 1: Typische Anwendungsschaltung des LTC3388-1/-3 Tony Armstrong Director of Product Marketing Linear Technology Corporation www.linear.com Hintergrund Das Anwendungsgebiet von tragbaren Stromversorgungen ist riesig und vielfältig. Produkte reichen von drahtlosen Sensorknoten (wireless sensor nodes = WSN), die Leistung von nur wenigen Mikrowatt verbrauchen, bis hin zu stationären medizinischen Geräten auf Transportwagen oder Datenerfassungsgeräten mit Batterien, die mehrere Hundert Wattstunden Energie liefern. Trotz dieser Vielfalt, haben sie jedoch einige Trends gemeinsam; nämlich, dass Entwickler weiterhin mehr Versorgungsleistung in ihren Produkten benötigen, um den steigenden Charakteristika der ICs Funktionsumfang zu unterstützen und außerdem möchten sie die Batterie aus einer beliebigen verfügbaren Spannungsquelle laden. Der erste Trend benötigt höhere Batteriekapazitäten. Unglücklicherweise sind die Nutzer jedoch meist ungeduldig und diese größeren Kapazitäten müssen deshalb in einer angemessen kurzen Zeit aufgeladen werden, was zu steigenden Ladeströmen führt. Der zweite Trend erfordert eine extreme Flexibilität der Batterieladelösung, da diese einen großen Bereich an Eingangsquellen und Leistungen handhaben muss. Jedes dieser beiden Probleme wird hier detailliert untersucht. • geringe Standby-Ruheströme - typisch unter 6 µA bis hinunter zu 450 nA • geringe Einschaltspannungen - bis hinunter zu 20 mV • hohe Eingangsspannungen - bis zu 34 V kontinuierlich und 40 V Spitze • Fähigkeit zur Handhabung von AC-Eingängen • Mehrfachausgänge und autonomes Power-Management • Betrieb mit automatischer Polarität • Maximum-Power-Point-Control (MPPC) für Eingänge von Solarzellen • die Fähigkeit, Energie aus Temperaturunterschieden von nur 1 °C zu generieren • kompakte Ausmaße der Lösung mit minimalen externen Komponenten Bild 2: Nötige Charakteristika der ICs zur Einbindung in den alternativen Energiemarkt. Betrachtet man moderne Handheld-Geräte - sowohl Konsumelektronikprodukte als auch industrielle Geräte – stellt man fest, dass sie ein Mobiltelefonmodem, ein Wi-Fi-Modul, ein Bluetooth-Modul, ein großes Display mit Hintergrundbeleuchtung usw. enthalten können, und diese Liste lässt sich beliebig weiter fortsetzen. Die Stromversorgungsarchitektur von vielen Handheld-Geräten spiegelt die von Mobiltelefonen wider. Typischerweise wird eine 3,7-V-Li- Ionen-Batterie wegen ihrer hohen gravimetrischen (Wh/ kg) und volumetrischen (WH/ m³) Energiedichte verwendet. In der Vergangenheit haben viele Geräte mit hohem Leistungsbedarf eine 7,4-V-Batterie eingesetzt, um die Anforderungen an einen hohen Strom zu reduzieren, aber die Verfügbarkeit von preisgünstigen 5-V-Power- Management-ICs hat immer mehr Handheld-Geräte hin zur Architektur mit niedriger Spannung getrieben. Der Tablet-Computer illustriert dies eindrucksvoll - ein typischer Tablet-Computer enthält einen vielfältigen Funktionsumfang zusammen mit einem (für ein tragbares Gerät) sehr großen Bildschirm. Wenn er aus einer 3,7-V-Batterie versorgt wird, muss die Kapazität in Tausenden von Milliampere, z.B. 2200 mAh, bemessen werden. Um eine solche Batterie in wenigen Stunden zu laden, sind ebenfalls Tausende Milliampere an Ladestrom notwendig. Dieser hohe Ladestrom hält aber die Konsumenten nicht davon ab, sich das Laden ihrer Geräte mit hohem Leistungsbedarf auch aus einem USB-Anschluss zu wünschen, wenn kein Hochstrom- Netzteil verfügbar ist. Um diesen Wunsch zu befriedigen, muss ein Batterieladesystem in der Lage sein, mit hohen Strömen (> 2 A) zu laden, wenn ein Netzteil verfügbar ist, aber ebenfalls effizient die 2,5 W bis 4,5 W zu nutzen, die ein USB-Anschluss hf-praxis 12/2014 31

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