Infotainmentsysteme Herausforderung Power-Management

Satellitenradio, Touchscreens, Navigationssysteme, Bluetooth, HDTV, integrierte Mobiltelefone, Mediaplayer und Videospielsysteme haben das Fahrerlebnis erweitert. Allerdings gibt es dadurch auch eine Menge an Stör- und Wärmequellen. Zudem kann sich die Spannung im Kfz-Bordnetz plötzlich ändern. All dies stellt für das Power-Management eine große Herausforderung dar.

Hinter ihrem Armaturenbrett beherbergen moderne Fahrzeuge oft eine Vielzahl an rausch- und temperaturempfindlichen Quellen wie Radios, Bluetooth, GPS und auf Mobilfunk basierende Netzwerkverbindungen. Deshalb ist es wichtig, dass alle Schaltungen in dieser Umgebung einschließlich der Stromversorgungen nicht zu viel Wärme oder elektromagnetische Störungen abstrahlen. Zudem können plötzliche Spannungsänderungen die Systeme empfindlich stören. Trotz dieser Herausforderungen explodiert die Popularität von Automobil-Infotainmentsystemen geradezu. Moderne technische Weiterentwicklungen wie Satellitenradio, Touchscreens, Navigationssysteme, Bluetooth, HDTV, integrierte Mobiltelefone, Medienspieler und Videospielsysteme haben das Fahrerlebnis erweitert. Von den über 50 Millionen Autos, die weltweit jährlich produziert werden, hat die überwiegende Mehrheit irgendeine Art Infotainmentsystem integriert.

Aus Sicht der Stromversorgung benötigt eine Basis-Infotainment-Konsole mehrere Niederspannungspegel mit einigen Ampere an Gesamtstrom, ein Premium-Modell noch mehr. Traditionell wurden
diese Spannungspegel und Stromstärken von vielen diskreten Leistungsregler-ICs oder von großen hochintegrierten Power-Management-ICs (PMICs) generiert. Letztere verfügen jedoch häufig über mehr Spannungspegel oder Zusatzfunktionen als nötig, was den Platzbedarf für die Schaltung unnötig vergrößert und sie für einige Versorgungsspannungspegel keine ausreichende Leistung mehr liefern können. Es gibt also einen Bedarf für ein IC mit Mehrfachausgängen, das eine kompakte Lösung mit einer konfigurierbaren Anzahl an moderat versorgten Spannungspegeln bereitstellt.

Designherausforderungen

Die Entwicklung elektronischer Systeme für die Anwendung im Automobil ist aus verschiedenen Gründen eine Herausforderung: Der Platz ist sehr eingeschränkt, der Betriebstemperaturbereich muss sehr groß sein, das Rauschen muss minimiert werden, Spannungsspitzen oder -einbrüche der Batterie müssen toleriert werden und die Qualität muss sehr hoch sein. Da die Integrationsdichte ebenfalls hoch sein muss, sind hier Komponenten mit kleinen Verlusten gefragt.

In vielen Fällen gibt es strikte Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit, was abgestrahlte und abgeleitete Störungen, abgestrahlte oder abgeleitete Störbeeinflussung sowie elektrostatische Entladungen (ESD) einschließt. Das Einhalten all dieser Anforderungen beeinflusst viele Performanceaspekte bei der Entwicklung eines potenziellen Mehrkanal-ICs. Einige sind relativ einfach einzuhalten, beispielsweise dass die DC/DC-Schaltregler bei einer festen Frequenz außerhalb des AM-Radiobandes arbeiten. Andere sind jedoch schwieriger zu erreichen, zum Beispiel das Justieren der Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate) der internen Leistungs-MOSFETs, um abgestrahlte Störungen aufgrund der Schaltübergänge eines DC/DC-Wandlers zu minimieren.

Das langsame, aber stetige Ändern von Produktspezifikationen wie Ein- und Ausgangsspannungen sowie Ausgangsströmen kann im weiteren Verlauf des Entwicklungszyklus’ Chaos bei der Auswahl von ICs und dazugehöriger diskreter Komponenten anrichten. Bestenfalls lässt sich, nachdem das Leiterplatten-Layout abgeschlossen ist, vielleicht eine Spannung durch Austauschen einiger Widerstände am Ausgang eines justierbaren Wandlers verändern. Schlimmstenfalls müssen einige ICs durch nicht pinkompatible ICs ersetzt werden, weil die Anforderungen an die neue Ausgangsstromstärke die Auslegung des Schaltstroms der bestehenden ICs übersteigt.

Die Kosten steigen, und wegen des Redesigns und erneutem Layout der Baugruppe verzögert sich die Auslieferung. Ein hoch spezialisiertes, konfigurierbares Power-Management-IC ist deshalb nötig, um den Leistungsblock sauber anzusteuern. So ist sichergestellt, dass alle Performancevorteile eines Systems umgesetzt werden können und die Flexibilität bieten, die nötigen Änderungen am Leistungsblock durchzuführen.

Traditionell waren viele der bestehenden PMICs mit Mehrfachausgängen nicht flexibel genug, um diese modernen Systeme zu betreiben. Jede Lösung, welche die beschriebenen Einschränkungen der Entwicklungen von Automobil-Power-Management-ICs aufheben möchte, muss eine hohe Integrationsdichte, einschließlich Abwärtsschaltregler mit moderatem Strom und kleiner Spannung, einem weiten Betriebstemperaturbereich und einer großen Flexibilität kombinieren.

Flexibler Abwärtsregler mit acht Kanälen

Der »LTC3375« von Linear Technology ist eine hochintegrierte, universelle Power-Management-Lösung für Systeme, die mehrere Stromversorgungen mit niedrigen Spannungspegeln benötigen. Der Baustein hat acht unabhängige 1-A-Kanäle mit I²C-Steuerung, flexiblem Sequencing und Fehlerüberwachung in einem 7 mm x 7 mm großen und 0,75 mm hohen QFN-Gehäuse mit 48 Pins (Bild 1). Der LTC3375 enthält acht intern kompensierte, effiziente, synchrone Abwärtsregler plus einen immer eingeschalteten linearen Regler (LDO). Jeder Abwärtsregler hat seinen eigenen unabhängigen Stromversorgungsanschluss (VINx) und kann aus einer Eingangsspannung von 2,25 V bis 5,5 V eine Ausgangsspannung zwischen 0,425 V und der jeweiligen Eingangsspannung generieren.

Die On/Off/Reset-Steuerung des Bausteins auf Tastendruck, Wiedereinschalten nach einem Reset und Watchdog-Timer liefern flexible und zuverlässige Einschaltsequenzen und Systemüberwachung. Der LTC3375 enthält einen programmier- und synchronisierbaren Oszillator von 1 MHz bis 3 MHz mit einer Grundfrequenz von 2 MHz. Der Ruhestrom liegt bei 11 µA, wenn alle DC/DC-Ströme abgeschaltet sind, was Strom in immer eingeschalteten Systemen spart. Somit eignet er sich für diverse Mehrkanal-Applikationen wie industrielle, automobile und Kommunikationssysteme.

Die acht Abwärtswandler des LTC3375 können unabhängig voneinander arbeiten oder parallelgeschaltet werden, um höhere Ausgangsströme bis zu 4 A mit einer einzigen gemeinsamen Spule zu generieren. Da bis zu vier Regler in dem Baustein kombiniert werden können, gibt es 15 verschiedene mögliche Ausgangskonfigurationen. Jeder Regler bietet zwei Betriebsarten: Betrieb im Burst-Modus (voreingestelltes Einschalten) für einen höheren Wirkungsgrad bei kleinen Lasten und erzwungenen kontinuierlichen PWM-Betrieb für geringeres Rauschen bei kleinen Lasten.

Das I²C-Interface eignet sich dazu, die Betriebsarten, Phasenlage, Rückkoppelregelspannung und Schaltanstiegsflanke auszuwählen. Die Abwärtsregler haben Vorwärts- und Rückwärtsstrombegrenzung, Soft-Start, um den Einschaltstrom während des Einschaltens zu begrenzen, einen Kurzschlussschutz und Justierung der Anstiegsgeschwindigkeit der Schaltflanke (Slew Rate) für geringere abgestrahlte und abgeleitete Störungen. Des Weiteren besitzt das IC einen Ausgang zur Überwachung der Chiptemperatur (auslesbar über I²C), der die interne Chiptemperatur anzeigt und eine Chiptemperatur-Warnfunktion (DT), die den Anwender warnt, wenn die Temperatur den programmierten Alarmschwellwert erreicht und es dem System somit erlaubt, Korrekturen einzuleiten. Der LTC3375 ist auch in einer Hochtemperatur-Option (H-Grade) mit einer Sperrschichttemperatur von -40 °C bis +150 °C erhältlich, die sich besonders für Automobilanwendungen eignet.

Weniger elektromagnetische Störungen

Die PWM-Schaltfrequenz des LTC3375 ist über einen Widerstand von 400 kΩ am Pin RT speziell auf 2 MHz getrimmt und hat einen garantierten Bereich von 1,8 MHz bis 2,2 MHz. Der Widerstand an RT kann eingesetzt werden, um eine beliebige Betriebsfrequenz zwischen 1 MHz und 3 MHz zu programmieren. Die Regler können auch auf einen erzwungenen kontinuierlichen PWM-Modus eingestellt werden, um einen Betrieb im Burst-Modus zu verhindern, selbst bei kleiner Last. Dies hält nicht nur die Frequenz konstant, sondern reduziert auch die Brummspannung an den Ausgangskondensatoren. Weiterhin kann der LTC3375 mit einem externen Takt zwischen 1 MHz bis 3 MHz über den SYNC-Pin synchronisiert werden, um das Systemrauschen weiter zu verringern.

Der LTC3375 hat eine spezielle Funktion, mit welcher der Anwender die Anstiegsgeschwindigkeit der Schaltflanke verlangsamen kann, um damit insbesondere abgestrahlte Emissionen zu reduzieren. Der Baustein verfügt auch über einige zusätzliche Werkzeuge für die Rauschunterdrückung. Die Steilheit der Anstiegsflanke beim Einschalten der Abwärtswandler kann über I²C eingestellt werden. Da die Abwärtswandler synchron sind, werden damit sowohl die Anstiegs- als auch die Abfallzeiten verzögert. Die Bilder 2 und 3 zeigen Oszillogramme von Schaltvorgängen der Anstiegs- und Abfallzeiten bei voller beziehungsweise reduzierter Geschwindigkeit.

Eine weitere Hürde für die Elektronik im Automobil sind die heftigen Schwankungen der Batteriespannung bis hinunter auf rund 5 V beim Kaltstart oder von hohen Spannungsspitzen beim sogenannten »Load Dump«. Die Automobilelektronik muss diese heftigen Spannungsschwankungen nicht nur verkraften, sondern auch kontinuierlich weiter funktionieren. Der LTC3375 hat einen »Push Button«-Controller und externen Pass-FET-Regler, der benutzt werden kann, um einen externen Hochspannungs-Abwärtsregler zu bilden, der wiederum den LTC3375 mit einer sicheren geregelten Spannung versorgt. In Bild 4 erkennt man Details der geregelten Ausgangsspannung des ICs während einer großen Spannungsspitze.

Über die Autoren:

Nathan Hanagami ist Design Engineer, Steve Knoth ist Senior Product Marketing Engineer und Marty Merchant ist Application Engineer, alle drei in der Power Products Group von Linear Technology.