Oft ist es eine mühselige Spurensuche: Stundenlang wühlen wir uns durch technische Datenblätter, googlen uns durch die Irrwege des Internets oder landen bei zweifelhaften Quellen – und oft genug müssen wir auf unsere eigene Erfahrung und Intuition vertrauen. Es geht um die Identifizierung der Chips, die sich in den Geräten befinden, die wir auseinandernehmen. Und obwohl die mühsam recherchierten Daten letztlich nur einen einzigen Schritt in unseren Teardowns einnehmen, sollte man sie nicht unterschätzen: Denn die Chips verraten uns viel über unsere Geräte an sich.
Chips sind mehr als nur der Prozessor oder die Grafikkarte. Die meisten Menschen wissen gar nicht, wie viele Chips heutzutage in jedem Elektrogerät stecken, und die sind alle jeweils für bestimmte Funktionen zuständig. Einige dieser Chips sind gut zu identifizieren: Flash-Speicher, Audioverstärker oder 5G-Modulator erkennt man sofort. Aber manche geben auch uns Rätsel auf: Was, zum Beispiel, steckt hinter einem „Maxim MAX77705C Power Management IC“? Dieser Artikel ist der Auftakt einer ganzen Serie, in der wir das Rätsel um die Chips lüften. Wir beginnen mit den Chips für die Energieverwaltung, manchmal auch integrierte Schaltkreise (ICs) genannt.
Unsere Reise in die Welt der Chips unternehmen wir anhand eines Samsung Galaxy S21 Ultra. Als modernes Smartphone mit vielen unterschiedlichen Komponenten ist es das ideale Anschauungsobjekt für uns; was wir hier finden und lernen, lässt sich auf viele andere Geräte übertragen.
ICs zur Energieverwaltung
Smartphones sind multimediale Alleskönner. Anrufe, Textnachrichten, das Aufnehmen und Abrufen von Fotos und Videos gehören zu ihrem Standardrepertoire. Aber auch 3D-Spiele über WLAN mit einem Bluetooth-Controller schaffen die Geräte lässig. Damit ein Smartphone das alles kann, sind in seinem Inneren sogenannte Teilschaltungen mit Chips und anderen Komponenten verbaut, die diese Funktionen ermöglichen. Es gibt solche Teilschaltungen unter anderem für das Display, den Prozessor, die ganzen Drahtlostechnologien und das haptische Feedback. Alle brauchen Energie, aber unterschiedlich viel, und während manche ständig unter Strom stehen, brauchen andere nur einzelne Impulse. Deshalb gibt es in deinem Smartphone ein eigenes kleines Stromnetz, das die Teilschaltungen ganz nach Bedarf versorgt, als wären sie einzelne Häuser in einem Stadtviertel.
Die Chips, die für eine stabile Stromversorgung der Teilschaltungen zuständig sind, sind die Power Management Integrated Circuits (PMICs), also Integrierte Energieverwaltungsschaltkreise. Das Galaxy S21 Ultra verfügt über unzählige Teilschaltungen und ebensoviele PMICs, die auf der ganzen Platine verstreut sind. Sie werden oft von Qualcomm, ON Semiconductor, Qorvo oder Maxim Integrated hergestellt.
Hier eine Auswahl einiger PCMIs mit ihren konkreten Aufgaben:
Jedem das Seine: Ab- und Aufwärtswandler
Wird oft hergestellt von: Texas Instruments
Moderne elektronische Geräte enthalten Chips und Schaltkreise, die mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden. Ein Smartphone bezieht seinen Strom über ein USB-Kabel mit fünf bis zwanzig Volt (V), über eine Ladespule zum drahtlosen Laden mit bis zu 200 V oder über seinen internen Lithium-Ionen-Akku mit rund 3,8 V. Viele der Chips, die die kleineren Teilschaltungen des Smartphones bedienen, brauchen aber gar nicht so viel; sie laufen oft nur mit 3,3 V oder 1,8 V.
Abwärtswandler senken die verfügbare Spannung, um solche Chips mit Strom zu versorgen.
Aufwärtswandler – du ahnst es schon – tun genau das Gegenteil: Sie erhöhen die Spannung für die Schaltkreise, die mehr Strom benötigen. Wie beispielsweise die Displaybeleuchtung oder die kabellose Ladespule, mit der das Smartphone wiederum andere Geräte mit Strom versorgen kann (z. B. Kopfhörer oder ein anderes Handy).
Was genau sich im Inneren dieser Chips abspielt, wenn sie die Spannung hoch- oder runterregeln, kannst du dir in den Videos von Louis Rossman ansehen (auf Englisch), in denen die Schaltkreise von Ab- und Aufwärtswandlern sehr schön erklärt werden.
Alles im Gleichgewicht: Regler
Werden oft hergestellt von: Texas Instruments, ON Semiconductor, Diodes Incorporated
Je mehr die Chips leisten müssen, desto mehr Strom benötigen sie. Dadurch kann aber die Spannung in ihrem Stromkreis absacken und andere Komponenten stören – ganz so, als würde das Licht in deiner Wohnung flackern oder eine Sicherung rausfliegen, wenn du den Mixer anmachst. Nur eben in deinem Smartphone. IC-Regler minimieren diese Schwankungen und sorgen für Stabilität. Sie sind unverzichtbare Bauteile im Akku-Spannungs-Management und in Radiofrequenz-Schaltkreisen. Aber auch sie sind nicht perfekt.
Der bekannteste Fall problematischer Spannungsregelung dürfte wohl Apples Batterygate sein: Immer mehr ältere iPhones schalteten sich bei hoher Belastung einfach ab. Der verschlissene Lithium-Ionen-Akku konnte keine stabile Arbeitsspannung mehr aufrechterhalten, sodass die Regler völlig überfordert waren in ihrem Versuch, die Spannung zu stabilisieren – und einfach kapitulierten.
Der kleine Unterschied: LDO-Regler
Wird oft hergestellt von: STMicroelectronics, ON Semiconductor, Texas Instruments
Ein Low-Drop-Spannungsregler (abgekürzt LDO für Low Drop-Out) ist eine spezielle Gruppe von Reglern. Sie liefern eine stabile Ausgangsspannung, die nur knapp unter der Eingangsspannung liegt (deshalb „Low Drop“, „geringer Abfall“). Diese Eigenschaft macht sie besonders wichtig beim Design von Platinen für neue Geräte. LDOs erzeugen weniger Störungen als normale Regler, geben jedoch mehr Wärme ab.
Vielen Dank an unser Community-Mitglied Chunglin C. für die Unterstützung bei diesem Beitrag!
Gibt es noch andere Chips in der Energieverwaltung, über die du gern mehr erfahren würdest? Schreib uns einen Kommentar!
Nächstes Mal geht’s übrigens um Radiofrequenz-Komponenten, auch RF-Chips genannt.
Disclaimer: Dieser Text wurde übersetzt von Maria Parker
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