Aufwärtswandler können nicht nur eine stabile Zwischen-Ausgangsspannung bereitstellen, sondern auch Immunität gegen Spannungseinbrüche bieten. (Bild: pickup @ AdobeStock)
Die Boost-Stromversorgungstopologie erfährt in der Automobil- und Industrieelektronik zunehmende Verbreitung. Eine beträchtliche Anzahl von Systemen erfordert eine stabile Versorgungsspannung, wenn die Spannung der vorgeschalteten Versorgungsschiene starken Schwankungen unterliegen kann. Mit Aufwärtswandlern lässt sich die Anpassungsfähigkeit dieser Anwendungen deutlich erhöhen. Sie ermöglichen den nahtlosen Anschluss neuer elektronischer Geräte an jede beliebige Versorgungsspannung, ohne dass ein Front-End-Redesign oder mehrere Versionen zur Abdeckung verschiedener Versorgungsszenarien erforderlich sind. Aufwärtsregler eignen sich zudem für elektronische Geräte, bei denen es im hohen Maße auf die Unterdrückung von Eingangsspannungeinbrüchen ankommt. Dies betrifft vor allem die Fahrzeugelektronik, wo die Spannung auf der Versorgungsschiene stark abfallen kann, wie beispielswiese beim Kaltstart.
Der LTC7804 von Analog Devices vereinfacht das Design von Aufwärtswandlern, ohne dabei auf heute wichtige Eigenschaften verzichten zu müssen. Die Hauptmerkmale des LTC7804 sind der niedrige Ruhestrom, die Synchrongleichrichtung mit Einzelausgang, der weite Eingangsspannungsbereich bis 40 V mit einer Ausgangsspannung von bis zu 36 V, die Spread Spectrum Frequency Modulation (SSFM) sowie eine interne Ladungspumpe für hocheffizienten, EMI-armen PassThru-Betrieb.
Aufwärtswandler für eine stabile Versorgungsspannung
Eine beträchtliche Anzahl von Systemen erfordert im Automobil- und Industriesektor eine stabile Versorgungsspannung, da die Spannung der vorgeschalteten Versorgungsschiene starken Schwankungen unterliegen kann. Mit Aufwärtswandlern lässt sich die Anpassungsfähigkeit dieser Anwendungen deutlich erhöhen. Mit speziellen Aufwärtswandlern wie dem LTC7804 von Analog Devices lässt sich das Design vereinfachen. Aufwärtswandler können nicht nur eine stabile Zwischen-Ausgangsspannung bereitstellen, sondern auch Immunität gegen Spannungseinbrüche am Frontend bieten.
Aufwärtswandler für 12-V-Eingangsspannung und 24-V-Ausgangsspannung
Einer der Vorteile von Aufwärtswandlern besteht darin, dass sie nicht nur eine stabile Zwischenausgangsspannung bereitstellen, sondern auch Immunität gegen Spannungseinbrüche am Front-End bieten, wie beispielsweise durch eine Autobatterie beim Anlassen. Bild 1 zeigt das Schaltbild eines Aufwärtswandlers, bestehend aus dem Controller LTC7804 mit geringer Pinanzahl, dem unteren FET Q1, dem oberen FET Q2, der Drossel L1 und den Eingangs-/Ausgangsfiltern. Die Schaltung zeichnet sich durch eine geringe Komponentenzahl aus, kann aber dennoch eine Eingangsspannung von 12 V auf 24 V wandeln und dabei 6 A Ausgangsstrom liefern. Der Ausgangsstrom sollte bei niedrigen Eingangsspannungen gedrosselt werden, um den Eingangsstrom unter 17,5 A zu halten.
Bei dieser speziellen Lösung ist der MODE-Pin mit GND verbunden, was den Burst-Modus aktiviert, der einen hohen Wirkungsgrad bei geringer Last aufrechterhält. Der PLLIN/SPREAD-Pin ist mit INTVCC verbunden, wodurch sich die Schaltfrequenz auf SSFM-Betrieb einstellt, was die Qualifizierung nach bestehenden EMI-Normen erleichtert. Diesen Schaltungsentwurf konnten Testentwickler mit dedizierten Strommesswiderständen testen, allerdings kann das Design aber auch ganz ohne Strommesswiderstände arbeiten und stattdessen die optionale DCR-Messung verwenden. Der Wirkungsgrad dieser Lösung ist in Bild 2 dargestellt.
Unterdrückung von Eingangsspannungseinbrüchen und PassThru-Betrieb
Eine interessante Anwendung des LTC7804 ist die Stromversorgung von Audio-Verstärkern und -Vorverstärkern in Fahrzeugen. Diese Anwendung verfolgt zwei Ziele. Zum einen unterdrückt der LTC7804 plötzliche Einbrüche der Eingangsspannung wie etwa bei einem Kaltstart. Zum anderen schließt er im Wesentlichen den Eingang mit dem Ausgang kurz, wenn die Eingangsspannung über den Ausgangspegel ansteigt, um den Wirkungsgrad zu maximieren, wie beispielsweise bei Lastabwürfen. Der Spannungsausgang eines Vorverstärker-Netzteils wird auf einen Wert eingestellt, der geringfügig unter der typischen 12-V-Kfz-Bord liegt (etwa 10 V). Wenn die Eingangsspannung gleich oder größer als der eingestellte Wert ist, wird der Eingang direkt zum Ausgang durchgeschaltet. Wenn die Eingangsspannung unter die gewünschte Zwischenspannung abfällt, hält der Aufwärtswandler seinen Ausgang auf dem eingestellten Wert. Diese direkte Durchschaltung vom Eingang zum Ausgang heißt PassThru-Betrieb.
Bild 3 zeigt ein vollständiges Schaltbild für die Boost-Lösung. Sie ähnelt der in Bild 1 gezeigten Lösung, wobei die Steuersignale geringfügig anders angeschlossen sind. Der MODE-Pin ist über einen 100-kΩ-Widerstand mit INTVCC verbunden, um den Pulse-Skip-Modus zu aktivieren. Der Burst-Modus wird in dieser Anwendung nicht unterstützt, da zum Aktivieren des PassThru-Betriebs die obere MOSFET-Gate-Ladungspumpe aktiviert werden muss, die im Burst-Modus deaktiviert ist. Der Pin PLLIN/SPREAD ist mit GND verbunden, um die SSFM-Funktion zu deaktivieren, da es für die Netzteile einiger Audiosysteme erforderlich ist, mit einer festen Frequenz zu arbeiten. Wenn die Kenntnis der Frequenz von Bedeutung ist, empfiehlt sich die Synchronisierung mit einem externen Taktgeber über den PLLIN/SPREAD-Pin oder die direkte Verbindung des MODE-Pins mit INTVCC, um den erzwungenen lückfreien Betrieb (CCM) mit der am FREQ-Pin eingestellten Betriebsfrequenz auszuwählen.
Bild 4 zeigt die Funktionsweise der Lösung anhand von Spannungsverläufen. Im Test beginnt die Eingangsspannung bei 14 V, oberhalb der voreingestellten Wandler-Ausgangsspannung von 10 V. Das Gate des oberen MOSFET Q1 liegt auf High und Q1 arbeitet im ON-Betrieb - er ist vollständig angereichert. Die interne Ladungspumpe des LTC7804 kann einen Wandler auf unbestimmte Zeit in diesem Zustand halten. Dies ist der PassThru-Modus, bei dem keine Schaltvorgänge stattfinden und die Eingangsspannung bei 14 V direkt an den Ausgang weitergeleitet wird. Der PassThru-Modus ist aktiv, solange die Eingangsspannung über oder gleich der gewünschten Ausgangsspannung liegt, wie in den Wellenformen gezeigt. Die Ausgangsspannung wird auf 10 V gehalten, auch wenn der Eingang auf 5V abfällt. Sobald die Eingangsspannung unter einen voreingestellten Wert abfällt, beginnt der Schaltvorgang, um den Ausgang genau auf diesem Pegel zu halten. Die Wellenform GQ1-VOUT ist die Differenzspannung am Gate von Q1 (Knoten) relativ zur Source-Spannung (VOUT) von Q1.
Die Schaltfrequenz beider Wandler liegt bei etwa 500 kHz, um einen Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Größe herzustellen, kann aber auf 3 MHz erhöht werden, wenn die Größe der Drossel (L1) minimiert werden muss. Beide in diesem Artikel vorgestellten Lösungen wurden verifiziert und auf dem Demoboard DC2846A getestet.
Fazit
Der Controller LTC7804 vereinfacht das Design hocheffizienter Aufwärtswandler. Die verfügbare Ausgangsleistung lässt sich durch Verwendung desselben Schaltplans und Austausch externer Komponenten auf einfache Weise skalieren. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht eine deutliche Verringerung der Größe der Drosselspule. Die interne Ladungspumpe und die Synchrongleichrichtung garantieren einen maximalen Wirkungsgrad, wenn die Eingangsspannung weit unter den Ausgangspegel fällt bzw. weit über den Ausgangspegel ansteigt, was den LTC7804 zu einem idealen Controller für die Fahrzeugelektronik macht. Der niedrige Ruhestrom erhält zudem die Batterielebensdauer in Automotive- und Always-On-Systemen. (prm)
