Bild 1: In dieser Beschaltung wandelt der LTC3890 eine Eingangsspannung zwischen 9 V und 60 V in zwei Ausgänge mit 8,5 V/3 A und 3,3 V/5 A um.

Bild 1: In dieser Beschaltung wandelt der LTC3890 eine Eingangsspannung zwischen 9 V und 60 V in zwei Ausgänge mit 8,5 V/3 A und 3,3 V/5 A um.Linear Technology

Die Einsatzumgebungen von Automobilen und Schwerlastfahrzeugen sind sehr anspruchsvoll bezüglich der Art ihrer Leistungswandlerbausteine. Große Betriebsspannungsbereiche machen in Kombination mit großen Spannungsspitzen und großen Temperaturschwankungen die Entwicklung zuverlässiger Elektroniksysteme schwierig. Um die Designbetrachtungen weiter zu verkomplizieren, steigt die Anzahl der nötigen Spannungspegel in einem Elektroniksystem ebenfalls. Ein typisches Navigationssystem hat beispielsweise sechs oder mehr verschiedene Spannungspegel von 8,5 V, 5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V und 1,5 V. Weil gleichzeitig die Anzahl der Komponenten steigt, müssen sich auch die Ausmaße ständig verkleinern, was wegen der Platzeinschränkungen und der hohen Temperaturen einen hohen Wirkungsgrad sehr wichtig macht.

Als ein Ergebnis muss ein guter DC/DC-Schaltregler für Automobile und Lastwagen über einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich verfügen. Ein Bereich von 60 V ergibt genügend Spanne für ein 12-V-System, das üblicherweise auf einen Bereich zwischen 36 V bis 40 V geklemmt ist. Applikationen mit zwei Batterien, wie man sie in Lastwagen und schweren Ausrüstungen findet, benötigen wegen ihrer Batterie-Nennspannung von 24 V einen noch höheren Betriebsspannungsbereich. Meist auf 58 V geklemmt, ist der 60-V-Bereich jedoch ausreichend. Die Überspannungsklemmung in Automobilen und Lastwagen ist nötig, um eine maximale Spitzenspannung nicht zu überschreiten, die von der induktiven Rücklaufspannung (Kickback Voltage) des Anlassers herrührt, der wesentlich höhere Spannungsspitzen erzeugen kann, wenn er nicht geklemmt ist.

Es gibt viele Automobil- und Lastwagensysteme, die kontinuierlich Leistung benötigen, selbst dann, wenn der Motor des Fahrzeugs nicht läuft. Beispiele hierfür sind schlüssellose Zugangssysteme oder Wegfahrsperren. Diese ständig eingeschalteten Systeme müssen über einen DC/DC-Wandler verfügen, der im Schlafmodus einen geringen Ruhestrom benötigt, um so die Batterielaufzeit zu maximieren. Unter diesen Umständen läuft der Regler solange im normalen kontinuierlichen Schaltmodus, bis der Ausgangsstrom unter eine voreingestellte Schaltschwelle von 30 mA bis 50 mA abfällt. Unter diesem Pegel muss der Schaltregler in den Burst-Modus übergehen, um den Ruhestrom auf wenige 10 µA zu senken und damit auch die aus der Batterie entnommene Energie, was die Batterielaufzeit verlängert.

Bild 2: Spannungsdiagramm des LTC3890 im Burst-Modus-Betrieb.

Bild 2: Spannungsdiagramm des LTC3890 im Burst-Modus-Betrieb.Linear Technology

Mit kurzfristig verfügbaren DC/DC-Wandlern mit einem 60-V-Eigang haben sich die Entwickler einer transformator-basierten Topologie oder externen Highside-Treibern zugewandt, um mit bis zu 60 V arbeiten zu können. Diese beiden Methoden erhöhen jedoch die Designkomplexität und reduzieren in den meisten Fällen den Wirkungsgrad. Der LTC3890 von Linear Technology ist der neuste Baustein in einer ständig wachsenden Familie von abwärts wandelnden Schaltreglern, der viele der beschriebenen Kernprobleme in Automobil- und Lastwagenanwendungen löst. Bild 1 zeigt den LTC3890 in einer Applikation, die eine Eingangsspannung zwischen 9 V und 60 V auf zwei Ausgänge mit 3,3 V/5 A und 8,5 V/3 A wandelt.

Der LTC3890-1 ist ein synchroner Hochspannungs-DC/DC-Abwärtswandler mit zwei Ausgängen, der 50 µA Strom zieht, wenn ein Ausgang aktiv ist, und 60 µA, wenn beide Ausgänge aktiviert sind. Sind beide Ausgänge abgeschaltet, sinkt die Stromaufnahme des LTC3890-1 auf 14 µA. Der für den Spannungsbereich von 4 V bis 60 V ausgelegte Eingang schützt vor hohen Spannungsspitzen und ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb selbst während des Kaltstarts von Automobilen und Lastkraftwagen. Jeder Ausgang ist auf Spannungen zwischen 0,8 V und 24 V mit Ausgangsströmen von bis zu 20 A einstellbar, während der Wirkungsgrad bis zu 98 Prozent beträgt.

Der LTC3890-1 arbeitet mit einer im Bereich 50 kHz bis 900 kHz wählbaren festen Schaltfrequenz und lässt sich mit seiner PLL auf einen externen Takt von 75 kHz bis 850 kHz synchronisieren. Der Anwender kann bei kleinen Lasten zwischen kontinuierlichem Betrieb, Pulse-Skipping und Burst-Modus wählen. Der Zweiphasenbetrieb des LTC3890 reduziert die Ansprüche an die Eingangsfilterung und an die Kondensatoren. Das „Fühlen“ des Ausgangsstroms erfolgt durch Messen des Spannungsabfalls an der Ausgangsspule (DCR) oder durch Einsatz eines optionalen Fühlwiderstands. Während Überlastbedingungen begrenzt der zurücklaufende Strom die Wärmeabgabe der MOSFETs. Durch die Kombination dieser Eigenschaften mit einer minimalen Einschaltzeit von 95 ns eignet sich dieser Controller gut für Anwendungen mit hohen Abwärtswandelverhältnissen.

Der Baustein ist in zwei Versionen lieferbar: als LTC3890 mit vollem Funktionsumfang einschließlich Austakten, Taktphasenmodulation, zwei unabhängigen Power-Good-Ausgängen und einstellbarer Strombegrenzung. Der LTC3890-1 besitzt all diese zusätzlichen Funktionen nicht und wird im SSOP mit 28 Pins geliefert. Der LTC3890 ist in einem QFN-Gehäuse mit 5 mm x 5 mm Kantenlänge und 32 Pins verfügbar.

Betrieb im Burst-Modus, Pulse-Skipping oder erzwungener kontinuierlicher Betrieb

Der LTC3890/-1 lässt sich bei kleinen Lasten für den Betrieb im verlustleistungsarmen Burst-Modus, für das Pulse-Skipping mit fester Schaltfrequenz oder den erzwungenem kontinuierlichen Betrieb konfigurieren. Wenn er für den Betrieb im Burst-Modus konfiguriert ist und eine kleine Last anliegt, wird der Wandler mehrere Spannungspulse ausgeben, um die Ladespannung am Ausgangskondensator sicherzustellen.

Bild 3: Der Wirkungsgradverlauf des LTC3890 für die 8,5-V- und 3,3-V-Ausgänge bei 12 V Eingangsspannung.

Bild 3: Der Wirkungsgradverlauf des LTC3890 für die 8,5-V- und 3,3-V-Ausgänge bei 12 V Eingangsspannung.Linear Technology

Dann wird der Wandler ausgeschaltet und geht in den Schlaf-Modus über, in dem die meisten seiner internen Schaltungen ausgeschaltet sind. Der Ausgangskondensator versorgt den Verbraucher mit Strom, und wenn die Spannung am Ausgangskondensator unter eine eingestellte Schaltschwelle absinkt, schaltet der Wandler wieder ein und liefert wieder mehr Strom, um die Ladespannung zu ergänzen. Der Vorgang, die meisten internen Schaltungen aus- und wieder einzuschalten, reduziert den Ruhestrom wesentlich und hilft deshalb dabei, die Batterielaufzeit in einem ständig eingeschaltetem System zu verlängern, wenn das System nicht in vollem Betrieb ist. Bild 2 zeigt das prinzipielle Zeitdiagramm, wie dies funktioniert.

Die Ausgangswelligkeit im Burst-Modus ist lastunabhängig, so dass sich nur die Länge des Schlafintervalls ändert. Im

Bild 4: Einschwingverhalten des LTC3890 bei einem 4-A-Lastschritt.

Bild 4: Einschwingverhalten des LTC3890 bei einem 4-A-Lastschritt. Linear Technology

Schlaf-Modus sind die meisten internen Schaltungen abgeschaltet – außer denen, die für eine schnelle Reaktion nötig sind, was den Ruhestrom weiter senkt. Wenn die Ausgangsspannung genügend abfällt, geht das Schlafsignal auf „low“ und der Controller geht in den normalen Burst-Modus-Betrieb über, indem er den externen Top-MOSFET einschaltet. Es gibt alternativ Fälle, in denen der Anwender bei kleiner Last im erzwungenen kontinuierlichen Betrieb oder Pulse-Skipping-Modus mit fester Schaltfrequenz arbeiten möchte. Diese beiden Betriebsarten sind einfach konfigurierbar, haben aber höhere Ruheströme und eine geringere Ausgangswelligkeit von Spitze zu Spitze.

Darüber hinaus darf der Spulenstrom nicht umgepolt werden, wenn der Controller für den Betrieb im Burst-Modus konfiguriert ist. Der Rückstromkomparator, IR, schaltet den externen Bottom-MOSFET ab, kurz bevor der Spulenstrom den Wert Null erreicht, und verhindert damit, dass er negativ wird. Deshalb arbeitet der Controller auch im diskontinuierlichen Betrieb, wenn er für den Betrieb im Burst-Modus konfiguriert ist.

Der Spulenstrom darf bei kleiner Last oder großen Spannungsspitzen jedoch negativ werden, wenn der Controller im erzwungenen kontinuierlichen Betreib ist oder von einer externen Taktquelle getaktet wird. Der kontinuierliche Betrieb hat den Vorteil einer geringeren Welligkeit der Ausgangsspannung und resultiert in einem höheren Ruhestrom.

Schutz vor Überstrom

Ein schneller und akkurater Schutz durch Überspannungsbegrenzung ist in einer Hochspannungs-Stromversorgung von essenzieller Bedeutung.

LTC3890

Der LTC3890 eignet sich gut für Stromversorgungen mit hohen Eingangsspannungen bis 60 V – auch unter anspruchsvollen Einsatzumgebungen mit hohen Spannungsspitzen. Der Baustein lässt sich für Ausgangsspannungen bis zu 24 V konfigurieren, und auch in Anwendungen mit hohen Abwärtswandelverhältnissen zeigt der Baustein seine Stärken.

Da bei kurzgeschlossenem Ausgang eine hohe Spannung an der Spule anliegt, verwendet die Spule entweder einen Fühlwiderstand in Reihe mit dem Ausgang oder misst den Spannungsabfall an der Ausgangsspule, um den Ausgangsstrom zu messen. Bei beiden Methoden wird der Ausgangsstrom kontinuierlich überwacht und liefert den bestmöglichen Schutz. Alternative Designs können den RDS(ON) des Top- oder Bottom-MOSFET nutzen, um den Ausgangsstrom zu messen. Dies erzeugt jedoch ein Zeitfenster innerhalb des Schaltzyklus, in dem der Controller bezüglich der Höhe des Ausgangsstroms „blind“ ist und kann einen Fehler des Wandlers ergeben.

Gate-Treiber

Die Schaltverluste sind proportional zum Quadrat der Eingangsspannung, und diese Verluste können in Applikationen mit hohen Eingangsspannungen bei einem ungeeigneten Gate-Treiber dominieren. DerLTC3890/-1 besitzt einen integrierten 1,1-Ohm-n-Kanal-MOSFET-Gate-Treiber, der die Übergangszeit und Schaltverluste minimiert und deshalb den Wirkungsgrad maximiert. Darüber hinaus ist er in der Lage, mehrere parallel geschaltete MOSFETs für Anwendungen mit höherem Strombedarf zu treiben.

Wirkungsgrad

Die in Bild 3 gezeigten Wirkungsgradkurven des LTC3890 gelten  für die in Bild 1 gezeigte Beschaltung und eine Eingangsspannung.  in höhe von 12 V. So weist der 8,5-V-Ausgang einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent auf, während der 3,3-V-Ausgang einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent Wirkungsgrad zeigt. Wegen des Burst-Mode-Betriebs hat dieses Design bei einer Last von 1 mA immer noch über 75 Prozent Wirkungsgrad für jeden der beiden Ausgänge.

Einschwingzeit

Der LTC3890 benutzt zur Spannungsrückkopplung einen Operationsverstärker mit 25 MHz Bandbreite. Diese Bandbreite dieses Verstärkers ermöglicht, zusammen mit den hohen Schaltfrequenzen und Spulen mit kleinen Werten eine sehr hohe Durchtrittsfrequenz. Daher lässt sich auch das Kompensationsnetz für eine sehr hohe Frequenz optimieren. Bild 4 zeigt das Einschwingverhalten auf einen 4-A-Lastschritt an einem 3,3-V-Ausgang mit weniger als 100 mV Abweichung vom Nominalwert.