Robuste und effiziente Leistungswandlung für Fahrzeugelektronik

Der LTC3892 wandelt bis zu 60 V vom Eingang auf zwei frei konfigurierbare Ausgänge und erreicht über externe FETs jweils bis zu 99 % von Vin bei maximal 20 A.Linear Technology

Lkws, Pkws und Schwermaschinen sind besonders anspruchsvolle Umgebungen für jede Art von Leistungswandlungsbausteinen. Weite Betriebsspannungsbereiche, hohe Spannungsspitzen und große Temperaturschwankungen machen die Entwicklung zuverlässiger Systeme zu einer Herausforderung. Leistungswandlerbausteine für Anwendungen im Motorraum müssen für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt sein. Da mit zunehmendem Funktionsumfang die Anzahl der elektronischen Komponenten ansteigt, dabei jedoch die Platzverhältnisse eher ungünstiger werden, ist eine kompakte und effiziente Leistungswandlung immer wichtiger.

Spannungsobergrenzen für Bordnetzelektronik

Schaltregler für Lkws müssen in einem weiten Eingangsspannungsbereich arbeiten. Ein bis 60 V ausgelegter Eingang hat genügend Spielraum für ein Bordnetz mit nominal 12 V, dessen Komponenten kurzzeitig eine Spannungsobergrenze von 36 V bis 40 V verkraften. Bordnetze mit zwei Batterien wie in Lkws und Schwermaschinen erfordern wegen ihrer Batteriespannung von nominal 24 V sogar eine noch höhere Spannungsobergrenze, die in der Regel bei 58 V liegt, sodass eine Schaltungs- und Bauteildimensionierung bis auf 60 V normalerweise ausreicht. Die Festlegung einer Spannungsobergrenze in Fahrzeugen ist erforderlich, um beispielsweise die maximale Spannungsspitze einer rückinduzierten Spannung vom Anlasser zu begrenzen. Ohne die Spannungsbegrenzung könnte diese Spannungsspitze wesentlich größer sein und Schäden verursachen.

Einige elektronische Systeme wie Remote Keyless Entry, GPS und Sicherheitssysteme benötigen eine kontinuierliche Stromversorgung, selbst wenn der Fahrzeugmotor nicht läuft. Für diese dauerhaft eingeschalteten Systeme ist essenziell, dass sie einen DC/DC-Wandler mit sehr geringem Ruhestrom besitzen, um im Schlafmodus die Batterie nur minimal zu belasten. Unter diesen Umständen läuft ein Spannungsregler solange im normalen kontinuierlichen Schaltmodus, bis der Ausgangsstrom unter einen voreingestellten Schwellwert von rund 30 bis 50 mA abfällt. Unterhalb dieses Pegels muss der Schaltregler in einen Betrieb mit geringerem Ruhestrom übergehen, um die Stromaufnahme auf einige zehn Mikroampere zu senken und damit die Batteriebelastung kleinzuhalten.

Schaltungstopologien

Da auf 60 V Eingangsspannung ausgelegte DC/DC-Wandler mit großem Abwärtswandelverhältnis Mangelware sind, haben Entwickler Schaltungstopologien mit Transformator oder externen High-Side-Treibern gewählt, um einen Betrieb bis zu 60 V sicherzustellen. Andere Konzepte arbeiten mit einem Zwischenkreis, was eine zusätzliche Leistungsstufe bedeutet. Beide Alternativen erhöhen die Designkomplexität und reduzieren in den meisten Fällen den Wirkungsgrad insgesamt. Der LTC3892 von Linear Technology ist das jüngste Mitglied einer ständig wachsenden Familie an abwärtswandelnden Schaltreglern, die viele Schlüsselprobleme in Pkw- und Lkw-Applikationen lösen. Bild 1 zeigt den LTC3892 in einer Applikation, die eine Eingangsspannung zwischen 4,5 und 60 V auf zwei Ausgänge mit 3,3 V/5 A sowie 8,5 V/3 A umwandelt.

Bild 1: In dieser Beschaltung wandelt der LTC3892 mit einem Eingang von 4,5 bis 60 V auf zwei Ausgänge mit 8,5 V/3 A sowie 3,3 V/5 A um.Linear Technology

Die Bausteine  LTC3892 und LTC3892-1 sind synchrone Großspannungs-Abwärtswandler mit zwei Ausgängen (zwei Phasen), wobei die Regelung im Schlafmodus bei nur einem aktiven Ausgang 29 µA aufnimmt und 34 µA, wenn beide Ausgänge aktiv sind. Schutzbeschaltung und weiter Spannungsbereich von 4,5 bis 60 V schützten den Wandlereingang vor hohen Spannungsspitzen, erlauben einen kontinuierlichen Betrieb bei Fahrzeugkaltstarts oder einem Load Dump (Unterbrechung zwischen Lichtmaschine/Batterie und Bordnetz) und ermöglichen den Einsatz einer Vielzahl von Eingangsquellen und Batteriearten. Jeder Ausgang kann von 0,8 V bis auf 99 Prozent von V_IN mit Ausgangsströmen über 20 A bei Wirkungsgraden bis zu 96 Prozent eingestellt werden. Damit eignen sich diese beiden Bausteine gut für 12- oder 24-V-Anwendungen in Pkws, Lkws und schweren Maschinen.

Betriebsparameter des DC/DC-Wandlers

Beide Wandlertypen arbeiten mit einer von 50 bis 900 kHz einstellbaren Festfrequenz und lassen sich extern mit 75 bis 850 kHz synchronisieren. Anwender können zwischen kontinuierlichem und Pulse-Skipping-Betrieb wählen, sowie bei kleinen Lasten den Burst-Modus mit geringer Welligkeit der Ausgangsspannung. Der Zweiphasenbetrieb der Wandler reduziert Anforderungen und Aufwand für die Eingangsfilterung. Die Strom-Modus-Architektur bietet eine einfache Schleifenkompensation, schnelles Einschwingen, Betrieb mit Festfrequenz, hervorragende Leitungsregelung und einfache Stromverteilung mit parallelen Phasen für hohe Ströme. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades wird der Ausgangsstrom nach dem Spannungsabfall an der Ausgangsspule (DCR) geregelt, alternativ führt der Einsatz eines externen Mess-Shunts zu höherer Genauigkeit.

Der LTC3892 ist die voll ausgestattete Version und unterscheidet sich vom LTC3892-1 durch zwei Power-Good-Signale, einstellbare Stromgrenzen und wahlweise einstellbare Ausgangsspannungen von 3,3 oder 5 V. Der LTC3892 hat ein QFN-32-Gehäuse mit 5 mm x 5 mm Kantenlänge, der LTC3892-1 wird in einem TSSOP-28 geliefert. Neben dem normalen Temperaturbereich werden erweiterte Bereiche von -40 bis 125 °C für die Industrie, von -40 bis 150 °C für Automobile und -55 und 150 °C fürs Militär angeboten.

Bild 2: Restwelligkeit der Ausgangsspannung vom LTC3892 im Burst-Modus.Linear Technology

Lastunabhängiger Burst-Modus

Beide Wandlertypen können im Burst-Modus mit hohem Wirkungsgrad, im Pulse-Skipping mit fester Frequenz oder bei kleinen Lastströmen im Betrieb mit erzwungenem, kontinuierlichem Stromfluss (forced continuous conduction mode) arbeiten. Wenn sie für den Burst-Modus konfiguriert und kleine Lasten vorhanden sind, sendet der Wandler einige Pulse aus, um die Ladespannung am Ausgangskondensator aufrechtzuerhalten, und geht in den Schlafmodus über. Der Ausgangskondensator liefert nun solange Strom, bis seine Spannung unter einen programmierten Pegel abfällt, was den Wandler kurzzeitig zum Nachladen aktiviert. Im Schlafmodus sind die meisten internen Schaltungsbereiche der Wandler abgeschaltet, was den Ruhestrom deutlich reduziert und die Betriebszeit der Batterie verlängert. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Ablauf des Burst-Modus.

Die Ausgangswelligkeit im Burst-Modus ist lastunabhängig und wird nur durch die Länge des Schlafintervalls beeinflusst. Wird die Ausgangsspannung im Pufferkondensator unterschritten, geht das Sleep-Signal auf low, wodurch der Controller den normalen Burst-Modus wieder aufnimmt und den jeweiligen externen Top-MOSFET taktet.

Ausgangsströme im Milliampere-Bereich

Alternative Betriebsarten sind der erzwungene kontinuierliche Betrieb bei kleinen Lastströmen oder der Puls-Skipping-Modus mit fester Frequenz. Beide Modi sind einfach zu konfigurieren und weisen eine geringere Ausgangswelligkeit, aber einen höheren Ruhestrom auf. Darüber hinaus erlauben der erzwungene kontinuierliche Betrieb oder eine externe Taktung eine Umpolung des Spulenstroms bei geringen Lasten oder bei größeren Spannungsspitzen.

Jeder Ausgang besitzt einen Überspannungskomparator, der vor zu hohen Spannungsspitzen und anderen Überspannungen schützt. Wenn VFB1 oder VFB2 auf mehr als 10 Prozent über seinen Regelungspunkt von 0,8 V ansteigt, wird der Top-MOSFET aus- und der Bottom-MOSFET eingeschaltet, bis die Überspannung abgesunken ist. Die schnelle und exakte Begrenzung des Stroms ist bei einer Großspannungsstromversorgung essenziell. Wenn die Ausgangsspannung unter 70 Prozent des nominalen Pegels abfällt, wird die Strombegrenzung ausgelöst, welche den Spitzenstrom abhängig von der Höhe der Stromüberlastung stufenweise verringert.

Bild 3: Wirkungsgrad des LTC3892 bei 12 V am Eingang und 8,5 V und 3,3 V an den Ausgängen.Linear Technology

MOSFET-Treiber & Wirkungsgrad

Die Bausteine LTC3892 und LTC3892-1 haben leistungsstarke 1,1-Ohm-N-Kanal-MOSFET-Gatetreiber auf dem Chip, die minimale Schaltzeiten und -verluste aufweisen.

Für den Einsatz von N-Kanal-MOSFETs mit Logik- oder Standardpegel kann die Spannung der Gatetreiber zwischen 5 und 10 V programmiert werden, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Die Treiberausgänge liefern ausreichend Strom für mehrere MOSFETs im Parallelbetrieb, womit sich Applikationen mit höheren Stromanforderungen realisieren lassen.

Bild 3 zeigt den Wirkungsgrad des LTC3892 entsprechend der Beschaltung in Bild 1 mit 12 V Eingangsspannung.  Der 8,5-V-Ausgang erreicht einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent, beim 3,3-V-Ausgang sind es über 90 Prozent. Dank des Burst-Modus hat die Schaltung bei geringen Ausgangsströmen um 1 mA immer noch über 75 Prozent Wirkungsgrad.

Bild 4: Einschwingverhalten des LTC3892 für die Schaltung mit 3,3 VOUT/12 VIN aus Bild 1.Linear Technology

Schnelles Einschwingverhalten

Der LTC3892 nutzt für die Spannungsrückkopplung einen schnellen Operationsverstärker mit 25 MHz Bandbreite. Das Zusammenspiel von hoher Verstärkerbandbreite, hohen Schaltfrequenzen und kleinen Spulenwerten erlaubt eine sehr hohe Durchtrittsfrequenz. Somit lässt sich das Kompensationsnetzwerk für ein sehr schnelles Einschwingverhalten optimieren. Bild 4 illustriert das Einschwingen bei einem 4-A-Lastsprung an einem 3,3-V-Ausgang mit weniger als 100 mV Regelabweichung vom Nominalwert.

Die robusten und energieeffizienten DC/DC-Abwärtswandler LTC3892 und LTC3892 von Linear eignen sich ideal für den Einsatz rauer Fahrzeugumgebung.

(jwa)