Eckdaten

In einem Automobil muss die Stromversorgung effektiv und kompakt sein und darf nur geringe EMI aufweisen. Silent-Switcher- und Silent-Switcher-2-Regler erfüllen die strengen Anforderungen an EMI-Emissionen in Automobilumgebungen.

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.

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