Monolithische Silent-Switcher-2-Regler

Da sich die Anzahl von elektronischen Systemen in Automobilen ständig vervielfacht, steigt auch das Risiko von elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Deshalb muss die Elektronik in modernen Fahrzeugen häufig den Teststandard CISPR 25 Klase 5 erfüllen, der abgestrahlte und leitungsgebundene Emissionen stark einschränkt. Schaltnetzteile erzeugen schon von ihrer Art her EMI und werden in einem Automobil immer häufiger eingesetzt.

Die patentierte Silent-Switcher-Technik erlaubt ein sehr gutes EMI-Verhalten von hochfrequenten High-Power-Stromversorgungen. Silent Switcher 2, die nächste Generation dieser Technik vereinfacht die Baugruppenentwicklung und Herstellung, da die Hot-Loop-Kondensatoren in das Gehäuse integriert sind, sodass das Leiterplatten-Layout nur mehr einen minimalen Effekt auf die EMI hat (siehe Kasten).

Silent-Switcher-2-Regler versorgt SoCs

Die SoCs (System-on-Chip), die in heutigen (und künftigen) Fahrzeugen vorzufinden sind, haben nur noch eine geringe Ähnlichkeit mit denen früherer Generationen. Der exponenzielle Einsatz von Infotainmentsystemen und Fahrzeugsicherheitssystemen benötigt SoCs, um Daten mehrere Größenordnungen schneller als je zuvor zu verarbeiten, einschließlich hochaufgelöster Videodaten mit geringer Latenz aus unterschiedlichen Quellen. Erkennt die Frontkamera eines Automobils zum Beispiel eine Gefahr, muss das Auto sofort reagieren und entweder den Fahrer warnen oder die Bremse betätigen. Um die hohen Anforderungen an moderne Recheneinheiten zu erfüllen, steigt bei SoCs die Anzahl leistungshungriger Bausteine. Aber wie kann der dafür benötigte Strom geliefert werden?

Ein SoC R-Car H3 enthält zum Beispiel acht ARM-Kerne, DSPs, Video und Grafikprozessoren plus zusätzliche unterstützende Schaltungen. Jede dieser Komponenten benötigt eine zuverlässige Stromversorgung, einschließlich drei Spannungspegeln (5; 3,3 und 1,8 V) für Peripherie- und Hilfskomponenten, zwei (1,2 und 1,1 V) für DDR3 und LPDDR4 sowie weitere 0,8 V für Prozessorkerne.

Um die für SoCs erforderlichen Strompegel zu liefern, ist ein Schalt-Controller mit externen MOSFETs die traditionelle Wahl gegenüber monolithischen Bausteinen. Monolithische Bausteine sind vielversprechend, weil ihre internen MOSFETs die Kosten und Maße der Lösung minimieren. Ihre traditionell begrenzte Stromlieferfähigkeit und ihre thermischen Probleme schränken jedoch üblicherweise ihre Anwendung ein. Der LT8650S und eine neue Familie von monolithischen abwärts wandelnden Silent-Switcher-Reglern haben die Stromlieferfähigkeit und thermische Management-Funktionen, um SoCs sicher mit Strom zu versorgen.

Wegen des hohen Wirkungsgrads und thermischer Management-Eigenschaften besitzen die Power-by-Linear-Bausteine LT8650S, LT8609S und LT8645S deutlich höhere Ausgangsströme als typische monolithische Regler. Der Eingangsspannungsbereich erstreckt sich von 3 bis 42 V (65 V für den LT8645S) und deckt damit das gesamte Spektrum der Einsatzbedingungen von Autobatterien ab. Diese monolithischen ICs haben integrierte MOSFETs und können mit Frequenzen von über 2 MHz laufen, was in reduzierten Ausmaßen und Kosten resultiert und gleichzeitig das Mittelwellenband ausgrenzt.

Zweifach-Ausgang: 5 V/4 A und 1 V/4A

Bild 1 zeigt eine 2-MHz-Schaltung mit zwei Ausgängen, 5 V bei 4 A und 1 V bei 4 A, die zwei Kanäle des LT8650S nutzt. Diese Schaltung kann einfach so konfiguriert werden, dass sie andere Ausgangskombinationen realisiert, wie zum Beispiel 3,3 und 1,8 V oder 3,3 und 1,1 V, um die Vorteile des weiten Eingangsspannungsbereichs des LT8650S auszunutzen. Der LT8650S kann auch als Wandler der ersten Stufe benutzt werden, gefolgt von vielen Schalt- oder LDO-Reglern mit geringeren Leistungsansprüchen auf der zweiten Stufe, um weitere Ausgänge zu generieren.

Der LT8650S enthält das EMI-beseitigende Silent-Switcher-2-Design mit integrierten Hot-Loop-Kondensatoren, um rauschanfällige Antennengrößen zu minimieren. Gekoppelt mit den integrierten MOSFETs ergibt dies ein sehr gutes EMI-Verhalten.

16-A-Lösung für ein SoC

Bild 2 zeigt eine vierphasige 3,3-V/16-A-Lösung zur Versorgung eines SoCs. Bild 3 stellt die Ergebnisse eines EMI-Emissionstest dar. Automobil-SoCs stellen auch sehr hohe Anforderungen an das Einschwingverhalten der Stromversorgung. Anstiegsgeschwindigkeiten eines Laststroms von 100 A/µs für Peripheriestromversorgungen und noch höhere bei Kernstromversorgungen sind nicht unüblich. Unabhängig vom Lastwechsel muss die Stromversorgung die Ausgangsspannungsspitzen minimieren. Eine hohe Schaltfrequenz wie die 2 MHz der LT8650S-Familie sorgt für eine schnelle Erholungsphase nach Spannungsspitzen. Höhere Schaltfrequenzen korrespondieren mit schnelleren dynamischen Antworten mit properer Schleifenkompensation. Bild 2 zeigt die sauberen Komponentenwerte. Es ist auch wichtig im Baugruppen-Layout die Leitungsinduktivität der Ausgangskondensatoren von der Schaltung zur Last zu minimieren. Bild 4 zeigt die Testergebnisse bei Transienten der in Bild 2 dargestellten Schaltung.

Auf der nächsten Seite werdenLösung für Low-Power-Applikationen beschrieben

Zusätzlich zu den Anwendungen mit geringer Spannung und hohem Strom, wie für SoCs und CPUs, benötigen Automobile und andere Fahrzeuge Strom für Verbraucher mit geringem Strombedarf, wie Anzeigen im Armaturenbrett, Head-up-Displays, V2X, Sensoren und USB-Ladegeräte und weitere.

Da das Platzangebot begrenzt und die Batteriekapazität endlich ist, sind die wichtigsten Anforderungen an Leistungswandler ein hoher Wirkungsgrad und geringe Ausmaße. Geringes Rauschen wird vorausgesetzt. Der LT8609S ist eine geeignete Lösung für alle diese Anwendungen. Er ist mit einem speziell für die Anforderungen von Automobilbatterien ausgelegten Eingangsspannungsbereich von 3 bis 42 V entwickelt. Integrierte MOSFETs, eingebaute Kompensierung und eine Betriebsfrequenz von 2 MHz minimieren die Ausmaße einer LT8609S-Lösung. Die Silent-Swicher-2-Technik und integrierte Hot-Loop-Kondensatoren minimieren Rauschpegel und liefern sehr gute Wirkungsgrade sowie auch ein sehr gutes EMI-Verhalten. Bild 5 zeigt eine Anwendung mit 2 MHz und 5 V/2 A, die den LT8609S verwendet.

Bild 6 illustriert einen vollständigen LT8609S-Regler auf einer Zweilagen-Baugruppe. Die integrierten MOSFETs und eingebaute Kompensierungsschaltung des LT8609S reduzieren die Komponentenanzahl auf den Baustein selbst und einige wenige externe Komponenten. Zusammen mit der hohen Schaltfrequenz betragen die Ausmaße dieser typischen Kernanwendung damit nur 11,5 mm × 12,3 mm.

Ein Weg, die Kosten der Lösung zu senken, ist es, die Anzahl der erforderlichen Leiterplattenlagen zu reduzieren, wobei allerdings Leistungseinbußen zu erwarten sind. Eine zweilagige Leiterplatte wird nicht das gleiche EMI-Verhalten wie eine vierlagige Leiterplatte aufweisen. Die EMI-Testergebnisse in Bild 7 zeigen, dass der LT8609S auf einer zweilagigen Leiterplatte die EMI-Emissionen gemäß CISPR 25 Klasse 5 einhält. Das EMI-Verhalten wurde zwischen gleichen Lösungen auf zwei- und vierlagigen Leiterplatten verglichen.

Im Allgemeinen erzielt die Silent-Switcher-2-Technik mit zwei- und sogar einlagigen Leiterplatten ein sehr gutes EMI-Verhalten, wodurch die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden können.

Das thermische Verhalten ist üblicherweise von Bedeutung, wenn weniger Leiterplattenlagen verwendet werden, aber nicht mit dem LT8609S. Der geringe Rauschpegel und der hohe Wirkungsgrad der Silent-Swicher-2-Technik haben den Vorteil niedriger Leistungsverluste in den Schalttransistoren. Bild 8 vergleicht das thermische Verhalten zwischen zwei- und vierlagigen Baugruppen. An 12-V-Eingängen arbeitet der LT8609S mit weniger als 11 °C Temperaturanstieg bei voller Last.

Auf der nächsten Seite werden Silent-Switcher-2-Lösung für 48-V-Automobilsysteme beschrieben

Konventionelle Fahrzeuge nutzen 12-V-Batterien, um die Energie für Zündung, Beleuchtung, Radio und Infotainment-Elektronik sowie Sicherheitsfunktionen und weitere Systemen zu liefern. Unglücklicherweise ist die Kapazität von 12-V-Automobilbatteriesystemen auf 3 kW begrenzt, ein Wert, der durch die große Anzahl automobiler Elektroniksysteme zunehmend nicht mehr ausreicht.

Diese Tatsache und die steigende Zahl von Elektro- und selbstfahrenden Fahrzeugen ist eine Herausforderung für die traditionelle Art der Stromversorgung. Um dies zu lösen, geht die Automobilindustrie auf 48-V-Batterien über. Verglichen mit elektrischen 12-V-Systemen reduziert ein 48-V-Batteriesystem Verluste bei der Stromverteilung, wenn die Leistungsansprüche hoch sind, was den Wirkungsgrad insgesamt erhöht.

Die Herausforderung für Leistungswandler in 48-V-Systemen ist es, die Ausmaße, den Wandlungswirkungsgrad und die geringe EMI von 12-V-Systemen beizubehalten, wenn es hohe Abwärtswandel-Verhältnisse schwierig machen, diese Spezifikationen zu erfüllen. Monolithische Schaltregler die mit 2 MHz laufen können, um Interferenzen mit dem Mittelwellenband zu vermeiden, eignen sich ideal für 48-V-Automobilsysteme, solange sie dies auch effizient machen.

Wirkungsgrad bis 94 Prozent

Es gibt eine begrenzte Anzahl von monolithischen Abwärtsreglern, die nominal 48 V an den Eingängen verkraften, die meisten liefern jedoch nur weniger als 5 A. Der monolithische Abwärtsregler LT8645S versorgt 8-A-Verbraucher aus Eingangsspannungen bis zu 65 V. Seine minimale TON von 40 ns mit sauberen Schaltflanken (Bild 9) erlaubt hohe Schaltfrequenzen und einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent bei 2 MHz.

Integrierte Kompensier- und Bypass-Kondensatoren minimieren die Ausmaße der Gesamtlösung und vereinfachen ein Layout mit geringer EMI. Mit einem einfachen Ferrit-Perlen-Filter erfüllt der LT8645S die Spezifikationen der CISPR 25 Klasse 5 und darüber hinaus.

Bild 10 zeigt eine auf dem LT8645S basierende 2-MHz-/5-V-/8-A-Applikation mit extrem geringer EMI. Bild 11 stellt den Wirkungsgrad und Bild 12 die Ausmaße der LT8645S-Lösung dar.

Der LT8645S besitzt wegen seiner minimalen Ein-Zeit von 40 ns die ungewöhnliche Fähigkeit, hohe Abwärtswandelverhältnisse zu unterstützen, selbst wenn er mit hohen Schaltfrequenzen arbeitet. Beispielsweise kann der LT8645S bei 1 MHz Schaltfrequenz 1,8 V Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung von bis zu 30 V generieren. Die Eingangsspannung kann bis auf das absolute Maximum von 65 V ansteigen, wenn das Auslassen (skipping) von Schaltzyklen akzeptabel ist.

Liegt die Ausgangsspannung unter 3,1 V, sollte der BIAS-Pin des LT8645S mit einer externen Quelle verbunden werden, die über 3,1 V liegt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Ist keine solche Quelle verfügbar, legt man den BIAS-Pin auf GND. Bild 13 zeigt eine 1-MHZ-/1,8-V-/8-A-Lösung, die selbst noch mit Spannungsspitzen von 65 V am Eingang arbeitet.

Zusätzlich zu geringer EMI, einem hohen Wirkungsgrad bei hohen Schaltfrequenzen und einem weiten Eingangsspannungsbereich, hat der LT8645S einen äußerst geringen Ruhestrom und geringen Dropout. Der extrem niedrige Ruhestrom verlängert die Batteriebetriebszeit im Ruhezustand. Der geringe Dropout ist wichtig für den kontinuierlichen Betrieb bei einem Kaltstart.

Zusammenfassung

Neben den hier beschriebenen Bausteinen bietet der synchrone monolithische zweikanalige Silent-Switcher-2-Regler LT8645S für SoC-Applikationen einen weiten Eingangsspannungsbereich, ein sehr gutes EMI-Verhalten und kleine Ausmaße bei mehrfachen Hochstromausgängen und schnellem Einschwingverhalten. Der synchrone, monolithische Silent-Switcher-2-Regler LT8609S bietet einen weiten Eingangsspannungsbereich, kleinen Ruhestrom, hervorragendes EMI-Verhalten, geringe Ausmaße und einen hohen Wirkungsgrad – er eignet sich speziell für Stromversorgungen in heutigen Automobilen. Der LT8645S (Eingangsspannungen bis 65 V) ermöglicht kompakte Lösungen mit geringer EMI für 48-V-Spannungssysteme im Automobil.

(ah)