23057.jpg

Intersil

Der tragende Gedanke des Micro-Hybrid-Prinzips besteht darin, dass weniger als 20 Prozent der Energie aus dem getankten Kraftstoff dem eigentlichen Antrieb des Fahrzeugs zugute kommen.

Bild 1 zeigt die typische Energiebilanz eines Fahrzeugs. Mehr als 80 Prozent der eingesetzten Energie werden infolge der ineffizienten Auslegung von Motor und Getriebe, besonders im Leerlauf, als Verlust abgebucht oder dienen zur Speisung der aufwändigen Bordelektronik.

Bild 1: Gesamte Energiebilanz im Kraftfahrzeug.

Bild 1: Gesamte Energiebilanz im Kraftfahrzeug.Intersil

Derzeit gibt es somit ein enormes Potenzial zur Verbesserung der Kraftstoff-Effizienz im Auto durch den Einsatz fortschrittlicher elektronischer Technologien. Dazu zählen vor allem genau geregelte Spannungsversorgungen für Zusatzfunktionen wie Audio und Kommunikation. Das eröffnet, neben dem Start-Stopp-Prinzip, deutliche, unmittelbar Gewinn bringende Schritte in Richtung höherer Effizienz im Automobil. Unter normalen Fahrbedingungen gehen beim Stillstand des Fahrzeugs oder im Leerlauf des Motors mehr als 17 Prozent der Energie verloren. Ein Start-Stopp-System schaltet beim Halten den Motor automatisch ab und startet ihn zum Anfahren wieder neu, um die Laufzeit der Maschine im Leerlauf zu verringern. Das verbessert wesentlich die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs (in den USA mit gesetzlicher Relevanz als „fuel economy“ bezeichnet, und gern über die gesamte Markenpalette eines Herstellers als Flottenverbrauch gemittelt). Das Start-Stopp-Prinzip hat seine Vorteile für Fahrzeuge, die viel Zeit in Staus verbringen, was häufiges Halten und Anfahren bedingt.

Das unmittelbare, auf den Einsatz bezogene Problem dieses Prinzips: Beim Starten des Motors zeigt der Akku einen starken Einbruch seines regulären Spannungspegels (typisch 12 V) bis herunter auf 6 V. Um die vom Batterie-Bus versorgte Bordelektronik zu schützen, muss die Busspannung gegen die vom Akku ausgehenden Cranking-Transienten ausgeregelt werden. Die Effizienz dieses Regelprozesses ist ebenso wichtig wie die im Fahrzeug heute eingesetzten Verfahren zur Spannungswandlung.

Eine oft praktizierte Lösung dieses Problems besteht darin, kurzfristig einen geregelten Mehrphasen-Boost-DC/DC-Wandler (Multiphase Boost DC/DC Converter) zwischen Akku und Spannungsbus zu schalten, um so die Pegeleinbrüche und die vom Akku ausgehenden Oberschwingungen auszugleichen.

Bild 2: Blockdiagramm eines Start-Stopp-Systems.

Bild 2: Blockdiagramm eines Start-Stopp-Systems.Intersil

Bild 2 zeigt das Blockschaltbild eines mit dieser Lösung konfigurierten Start-Stopp-Systems. Damit wird die Batteriespannung entsprechend angehoben, wenn sie unter die Schwelle von 11,5 V fällt. Der Mehrphasen-Boost-Controller sorgt somit für eine konstante und stabile Busversorgung.

Wenn die Transienten nach dem Motorstart abgeklungen sind, und die Batteriespannung die 11,5-V-Schwelle überschreitet, trennt die elektronische Steuereinheit (ECU) das überbrückende Relais oder Schalter ab, so dass der Mehrphasen-Boost-Wandler vom System übergangen wird. Der Mehrphasen-Boost-Wandler ist aber auch im stabilen Systemzustand nach der Cranking-Phase weiterhin betriebsbereit – allerdings nur bei niedrigen Lastbedingungen oder ohne Last. Der gesamte Strom kommt dabei direkt vom Fahrzeug-Akku.

Wirkungsgrad optimieren

In seinen neuen Controller-Bausteinen implementierte Intersil diverse Verfahren zur Verbesserung des Betriebs unter leichter Last. Wenn sich der Laststrom ändert, lässt sich durch automatisches Zuschalten oder Abschalten von Phasen der Wirkungsgrad optimieren. Wenn das System bereits mit minimaler Phasenzahl arbeitet, und die Last sehr niedrig ist, lassen sich darüber hinaus Methoden zur zyklenweisen Diodenemulation und für den Puls-Aussetzbetrieb (Pulse Skipping) aktivieren. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Optimierung des Systemwirkungsgrads über den gesamten Lastbereich.

Bild 3:  Effizienzvergleich zwischen Aktivierung und Deaktivierung der Schaltungen zur Effizienzverbesserung bei leichter Last.

Bild 3: Effizienzvergleich zwischen Aktivierung und Deaktivierung der Schaltungen zur Effizienzverbesserung bei leichter Last.Intersil

Bild 3 vergleicht den Wirkungsgrad beim Aktivieren und Deaktivieren der Phasenabschaltung, der Diodenemulation und beim Puls-Skipping.

Nach Bild 3 konstatiert man eine signifikante Verbesserung des Systemwirkungsgrads, speziell im Bereich leichter Last. Verglichen mit dem typischen sechsphasigen Interleaved-Boost-Converter kann dieses Start-Stopp-System eine Verbesserung des Wirkungsgrads von mehr als 10 Prozent erreichen, indem es die Steuerung per Puls-Skipping nutzt.

Synchroner Boost

In einer synchronen Boost-Konfiguration bewirkt der Pulsaussetzbetrieb das zeitweilige Einschalten der unteren MOSFETs des Boost-Controllers und damit das Aufladen („Refresh“) der mit dem synchronen Treiber verbundenen Boost-Kapazität. Dies unterstützt das schnelle Einschalten des oberen MOSFET beim Einbruch der Batteriespannung und verbessert das Ansprechen des Systems auf die Cranking-Transienten. Hierbei verbessert sich der Wirkungsgrad weiter durch das schnelle Aktivieren oder Deaktivieren der benötigten Phasen in Abhängigkeit von der Lastbedingung.

Ein typisches Infotainment-System im Auto ist für etwa 3 Prozent des Kraftstoffverbrauchs verantwortlich. Dabei entfällt der größte Anteil auf das Audiosystem. Audiosysteme werden traditionell so ausgelegt, dass sie an der vorhandenen 12-V-Batterie betrieben werden können. Früher, bei Ausgangsleistungen um 50 W, war das durchaus akzeptabel, doch heute verlangen die Autofahrer nach Sound-Konsolen mit sehr viel höheren Leistungen und besseren Klangeigenschaften: Audiosysteme mit Ausgangsleistungen zwischen 600 und 1200 W sind keine Seltenheit. Das macht es attraktiv, für sie höhere Versorgungsspannungen als die von der Batterie gelieferten 12 V zu verwenden.

Neue Lösungen

Für die beschriebenen Start-Stopp- und Audio-Applikationen sind die neuen Multiphase-Boost-Controller ISL78220 und ISL78225 von Intersil gut geeignete Kandidaten. Der Baustein ISL78220 ist ein Sechs-Phasen-PWM-Controller, der ISL78225 ist eine Vier-Phasen-Version. Beide können Variationen der Eingangsspannung detektieren.

Bild 4: Der ISL78220/78225 ist ein synchroner sechsphasiger Boost-Wandler mit verlustloser DCR-Strommessung.

Bild 4: Der ISL78220/78225 ist ein synchroner sechsphasiger Boost-Wandler mit verlustloser DCR-Strommessung.Intersil

Bild 4 zeigt die typische Anwendungsschaltung des Controllers ISL78220 in Konfiguration als synchroner sechsphasiger Boost-Wandler mit verlustlosem DCR-Current-Sensing.

Die Controller vom Typ ISL78220/78225 sind auch eine gute Wahl für die oben genannten Audio-Applikationen. Neben der erwähnten guten Effizienz bei leichter Last ermöglichen diese Controller eine Hüllkurvenabtastung für Audio-Anwendungen, also hochgradige Effizienz über den gesamten Lastbereich. Die Aufteilung der Leistungs-Endstufe in mehrere parallele Phasen

Bild 5: Stromversorgung eines geschalteten Class-D-Vollbrücken-Audiovestärkers.

Bild 5: Stromversorgung eines geschalteten Class-D-Vollbrücken-Audiovestärkers.Intersil

reduziert die Belastung der Leistungsstufen und beschleunigt das Ansprechen auf plötzlich auftretende Sound-Spitzen. Auch dies verbessert den Wirkungsgrad des Systems.Bild 5 zeigt eine typische Systemkonfiguration für ein Audioverstärkersystem.

Bedingungen für Audio-Applikationen

Für Audio-Applikationen im Automotive-Bereich gilt eine Reihe von Spezialbedingungen. Erstens: Wenn die Versorgungsspannung mit abnehmendem Ladezustand des Akkus abfällt, lässt sich auch die Ausgangsleistung des Audioverstärkers verringern, um die Batterie zu schonen und genügend Ladung zum erneuten Starten des Motors zu bewahren. Die Intersil-Bausteine ISL78220 und ISL78225 sind eine gute Wahl für diese Applikation, weil sie einen spezifischen Vref2-Eingangsanschluss bieten. Dieser Anschluss lässt sich mit einem beliebigen Analogsignal verbinden, wobei die interne Referenz der Spannung an Vref2 folgt, wenn diese kleiner als 2 V ist. Das analoge Signal könnte aus einer Audio-Hüllkurve abgeleitet sein, um die gesamte Effizienz des Audioverstärkers zu verbessern (Bild 6).

Bild 6

Bild 6 Intersil

Neben den genannten Eigenschaften können die Intersil-Bausteine ISL78220/78225 auch ein dreistufiges PWM-Signal an den Treiber liefern, um sowohl den oberen als auch den unteren MOSFET zeitgleich abzuschalten. Das verhindert einen Stromfluss vom Ausgang zurück zum Eingang, was oft als Energ-Pumping bezeichnet wird.

Ein verlustloses DCR-Strommessverfahren kann ebenfalls zum Einsatz kommen. Das unterbindet

Bild 6: Tracking von Audio-Hüllkurven (oben) mit zugehörigen Oszillogrammen (unten).

Bild 6: Tracking von Audio-Hüllkurven (oben) mit zugehörigen Oszillogrammen (unten).Intersil

weitere Verluste, wie sie mit einem Abfühlwiderstand auftreten. Dabei wird der Stromverlauf kontinuierlich abgefragt, sodass keine Sample/Hold-Schaltungen notwendig sind, wodurch sich eine höhere Systemgenauigkeit und Zuverlässigkeit ergibt.

Die Intersil-Bausteine ISL78220 und ISL78225 sind industrieweit die ersten verfügbaren Multiphase-Boost-Controller, die im Hinblick auf die automotive Micro-Hybrid-Technik ausgelegt sind. Die Controller erleichtern und verbessern die gesamte Effizienz der Mehrphasen-Boost-Wandler beim Start-Stopp-Betrieb des Motors und in den Audiosystemen. Die Bausteine bieten eine Reihe günstiger Eigenschaften und Funktionalitäten: Effizienzverbesserung bei leichten Lastbedingungen per Phase-Dropping/Pulse-Skipping, Reduzierung von EMI-Störungen durch lineare Phasenzuschaltung und -abschaltung sowie Verringerung der Stromwelligkeit durch die mehrphasige Architektur mit Phasenschiebung.