Trotz Start-Stopp-System: So werden Infotainment-Geräte versorgt

Bei Fahrzeugen mit Start-/Stopp-System koordiniert ein zentrales Steuergerät die Funktion und überwacht die Daten aller relevanten Sensoren, einschließlich des Anlassers und des Generators. Falls erforderlich, startet das Steuergerät den Motor automatisch, beispielweise auch bei zu geringer Batterieladung.

Wiederholte Motorstarts belasten jedoch auch die Fahrzeugbatterie, insbesondere in der kalten Jahreszeit. Sind während der Fahrt Infotainment- oder andere elektronische Systeme eingeschaltet, die mindestens 5 V Betriebsspannung benötigen, könnte die Bordspannung im Moment eines Motorstarts auf unter 5 V abfallen, wodurch diese Systeme einen Reset durchlaufen und neu starten würden. Das ist natürlich nicht akzeptabel.

Einbrüche bis 2,5 V überbrücken

Bild 1: Der LTC7815 bietet bei Start-/Stopp-Applikation drei konfigurierbare Ausgangsspannungen und taktet mit bis zu 2,1 MHz. Analog Devices

Zur Verbesserung dieser Problematik hat Analog Devices einen speziellen DC/DC-Wandler vorgestellt. Der LTC7815 von Linear kombiniert einen Boost- und zwei Step-down-Wandler in einem einzigen Gehäuse. Der synchrone Boost-Wandler speist als Laderegler die beiden nachgeschalteten synchronen Abwärtswandler und versorgt die Verbraucher sicher auch bei Unterspannung des Bordnetzes bis auf 2,5 V. Ist die Eingangsspannung höher ist als die programmierte Ladeausgangsspannung, läuft der Boost-Wandler mit 100 % Einschaltdauer und leitet die Eingangsspannung direkt an die Abwärtswandler weiter, was Leistungsverluste minimiert.

Bei Bordspannungen unter 10 V liefert der Boost-Wandler des LTC7815 10 V an die Abwärtswandler, welche bei 5 Volt 7 Ampere und bei 3,3 Volt 10 Ampere leisten können (Bild 1). Der Synchron-Boost-Wandler kann Ausgangsspannungen bis zu 60 V erzeugen und liefert als dritter Versorgungsausgang weitere 2 A. LTC7815 läuft bei Eingangsspannungen von 4,5 bis 38 V an und arbeitet nach seinem Start bis herab auf 2,5 V. Er hält den Regelbetrieb bis zu einer Eingangsspannung von 28 V aufrecht und überspringt einzelne Schaltzyklen oberhalb davon (Skipping-Mode).

Kleine Bauteile und geringe Emission

Die beiden Abwärtswandler sind auf Ausgangsspannungen von 0,8 bis 24 V einstellbar, wobei das gesamte System einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % erreicht. Minimale Einschaltzeiten von 45 ns ermöglichen hohe Abwärtswandlungsraten bei einer Schaltfrequenz von 2,1 MHz. Dies vermeidet Störungen in kritischen Rundfunkfrequenzbändern wie Mittelwelle (AM-Radio). Zudem ist damit der Einsatz  kleinerer externer Beschaltungsbauteile möglich.

Der LTC7815 lässt sich für den Burst-Betrieb konfigurieren. Er reduziert den Ruhestrom auf 28 μA pro Kanal (38 μA, wenn alle drei Kanäle eingeschaltet sind) und regelt gleichzeitigt die Ausgangsspannung im Leerlauf – eine nützliche Funktion zur Erhaltung der Akkulaufzeit in ständig laufenden Systemen.

Integrierte 1,1-Ω-N-Kanal-MOSFETs bilden leistungsfähige Gate-Treiber, welche Schaltverluste minimieren und einen Ausgangsstrom von mehr als 10 Ampere pro Kanal liefern, der nur durch externe Komponenten begrenzt ist. Der Ausgangsstrom für jeden Wandler lässt sich per Überwachung des Spannungsabfalls über dem jeweiligen Induktor (DCR) oder durch Verwendung eines separaten Fühlerwiderstandes (Shunt) erfassen. Im Konstantfrequenz-Modus ist die Schaltfrequenz des LTC7815 im Bereich von 320 kHz bis 2,25 MHz einstellbar, alternativ lässt er sich durch einem externen Takt synchronisieren.

Bild 2: Betriebsspannungsverlauf für den LTC7815 im Burst Mode. Analog Devices

Verlängerung der Batterielaufzeiten

Jedes batteriebetriebene System, das an einer ständig aktiven Stromversorgung betrieben wird, muss Batterieenergie einsparen, während der Rest des Systems ausgeschaltet ist. In diesem Sleep-, Standby- oder Idle-Modus dürfen die Systeme nur einen sehr niedrigen Ruhestrom aufnehmen. Das ist zur Schonung der Batterieenergie besonders wichtig in Automobilanwendungen, die über mehrere elektrische Systeme wie Telematik, CD-/DVD-Player, Remote Keyless Entry und über mehrere ständig aktive Versorgungsbusse verfügen. Die gesamte Stromaufnahme dieser Systeme im Standby-Modus muss so gering wie möglich sein. Da Automobile für ihren Betrieb immer mehr von elektronischen Systemen abhängen, nimmt der Zwang zur Energieeinsparung weiter zu.

Der LTC7815 verbraucht im Schlafmodus bei eingeschaltetem Boost-Wandler und einem der aktiven Buck-Wandler nur 28 μA. Mit allen drei Kanälen im Ruhemodus verbraucht der LTC7815 nur 20 μA, was die Laufzeit der Autobatterie im Ruhezustand deutlich verlängert. Dies geschieht durch die Konfiguration des ICs für den hocheffizienten Burst-Modus, bei dem der DC/DC-Schaltregler mit kurzen Strombursts den Ausgangskondensator lädt, gefolgt von einer längeren Aus-Phase, in welcher der Kondensator Strom an die Verbraucher liefert. Das Diagramm in Bild 2 zeigt den entsprechenden zeitlichen Signalverlauf.

Im Ruhemodus ist ein Großteil der internen Schaltungsteile ausgeschaltet, mit Ausnahme des kritischen Schaltkreises, der für eine schnelle Reaktion erforderlich ist. Wenn die Ausgangsspannung weiter absinkt, wird das Schlafsignal aktiviert und der Controller läuft wieder im normalen Burst-Modus durch Einschalten des oberen externen MOSFETs. Alternativ arbeitet der Baustein im erzwungenen Continuousmode- oder Konstantfrequenz-Puls-Skipping-Modus bei geringen Lastströmen. Beide Betriebsarten sind einfach konfigurierbar und haben einen höheren Ruhestrom.

Bild 3: Bei Lastströmen von mehr als 10 mA erreicht der LTC7815 Wirkungsgrade um 90 % und mehr. Analog Devices

Effizienz und Regelungsfunktionen

Der Wirkungsgrad für den 5-V-Ausgang aus Bild 1 beträgt etwa 90 %, wie in Bild 3 zu sehen ist. Ein um 3 % bis 4 % höherer Wirkungsgrad ist möglich durch Vermindern der Betriebsfrequenz von 2,1 MHz auf 300 kHz.

Die Wahl zwischen den beiden Strommessverfahren DCR oder Shunt ist weitgehend ein Kompromiss zwischen Kosten, Verlustleistung und Genauigkeit. DCR-Sensorik wird immer beliebter, weil sie teure Strommesswiderstände einspart und energieeffizienter ist, insbesondere bei Hochstromanwendungen. Der Einsatz eines Mess-Shunts ist jedoch genauer.

On-Board-Komparatoren überwachen die Buck-Ausgangsspannungen und melden eine Überspannung, wenn der Ausgang mehr als 10 % seines Nennwertes erreicht. Bei Erkennung dieses Zustands wird der obere MOSFET ausgeschaltet und der untere MOSFET eingeschaltet, bis der Überspannungszustand nicht mehr auftritt. Der untere MOSFET bleibt solange der Überspannungszustand anhält dauerhaft eingeschaltet. Sinkt die Ausgangsspannung wieder auf einen sicheren Wert, setzt automatisch wieder der Normalbetrieb ein.

Bild 4: Das Demo-Board beeinhaltet auf der Oberseite Leistungbauelemente (links) - der Regler benötigt mit Peripheriebeschaltung auf der Unterseite (rechts) nur etwa 1/8 der Fläche. Analog Devices

Schutz vor Übertemperatur

Bei höheren Temperaturen oder in Fällen, in denen die interne Verlustleistung zu einer übermäßigen Eigenerwärmung des Chips führt, schaltet die Übertemperatur-Abschaltung den LTC7815 ab. Wenn die Sperrschichttemperatur etwa 170 °C überschreitet, deaktiviert die Übertemperaturschaltung den On-Board-Bias-LDO, wodurch die Bias-Versorgung auf 0 V sinkt und der gesamte LTC7815 ordnungsgemäß abgeschaltet wird. Sobald die Sperrschichttemperatur wieder auf etwa 155 °C sinkt, geht der LDO wieder in Betrieb.

Für den schnellen Einstieg in das System steht Entwicklern zu Evaluierungszwecken ein LTC7815-Demo-Board mit den Kantenlängen von 48 mm × 46 mm zur Verfügung (Bild 4).

Zusammenfassung

Start-/Stopp-Systeme in Automobilen verringern im Stadtverkehr den Kraftstoffverbrauch. Infotainment- und Navigationssysteme des Fahrzeugs, die mindestens 5 V Betriebsspannung benötigen, erfordern zur Vermeidung eines Resets eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, auch wenn die Bordspannung bei einem Motorstart bis auf 2,5 V einbricht. Der LTC7815 erhöht seine Ausgangsspannungen auf ein sicheres Betriebsniveau und eignet sich damit ideal für die Stromversorgung vieler elektronischer Geräte in Fahrzeugen mit Start-/Stopp-System.

(jwa)