Spannungsregler Minimaler Ruhestrom spart Energie

Getrieben von Trends nimmt der Anteil an elektronischen Systemen stetig zu
Leistungs-ICs sorgen für eine stabile Spannung trotz harter Belastungen.

Effiziente Leistungs-ICs spielen nicht nur in Elektro- und Hybrdidfahrzegen eine immer wichtigere Rolle. Welche Anforderung ein derartiger Baustein erfüllen muss, zeigt der nachfolgende Beitrag.

Nach Analysen von Strategy Analytics [1] treibt die Gesetzgebung weltweit die Entwicklung der nächsten Generation der Fahrzeugtechnik voran; weitere Verbesserungen bei der Emissionskontrolle und Sicherheit sind die Folge. Der Wettbewerb in der Automobilindustrie und die Erwartungen der Autofahrer führen zu einer stärkeren Vernetzung der Fahrzeuge mit der Cloud und persönlichen tragbaren Geräten wie Smartphones. Darauf basierend wird erwartet, dass das Wachstum von Halbleitern, die das ermöglichen, eine jährliche Steigerungsrate von fünf Prozent über die nächsten sieben Jahre betragen soll, auf dann insgesamt 41 Milliarden US-Dollar im Jahre 2021. Zum Vergleich: 2013 waren es bereits 27,5 Milliarden US-Dollar. Die Marktanalyse von Strategy Analytics zeigt auch, dass die Nachfrage nach Mikrocontrollern und Leistungshalbleitern über 40 Prozent des Umsatzes treiben wird.

Auch die Nachfrage nach modernen Leistungs-Halbleiterbauelementen wird steigen, um Fahrzeuge effizienter zu gestalten. Diese neuen Leistungs-IC-Designs für elektronische Systeme im Fahrzeug müssen Folgendes bieten:

  • Den höchst möglichen Wirkungsgrad, um thermische Probleme zu minimieren und die Batteriebetriebszeit zu optimieren.
  • Den Betrieb mit einer Vielzahl von Batterieeingangsspannungen; sowohl mit einer Bleibatterie (Automobil) als auch mit zwei Bleibatterien (Nutzfahrzeuge), also Anwendungen, die große transiente Spannungsschwankungen aushalten.
  • Einen niedrigen Ruhestrom, um den Betrieb von ständig eingeschalteten Systemen wie Sicherheits-, Umweltkontroll- und Infotainment-Systeme zu gewährleisten. Diese müssen einsatzfähig bleiben, ohne die Batterie zu entladen, wenn der Motor (und damit die Lichtmaschine) nicht läuft.
  • Schaltfrequenzen von über 2 MHz, um das Schaltrauschen aus dem AM-Radioband fernzuhalten und die Lösung kompakt zu halten.
  • Geringstmögliche EMI/EMC-Emissionen, um Interferenzprobleme aufgrund des Rauschens innerhalb der elektronischen Systeme zu reduzieren.

Das Ziel einer höheren Leistungsfähigkeit von Leistungs-ICs ist es, zunehmend komplexe, in Fahrzeugen zum Einsatz kommende elektronische Systeme zu entwickeln, die den Komfort, die Sicherheit und Leistung maximieren und gleichzeitig CO2-Emissionen minimieren. Anwendungsbereiche, die das Wachstum des Elektronikanteils in Automobilen beschleunigen, werden in jedem Bereich eines Stromers, Hybridfahrzeugs oder deren Pendants mit Verbrennungsmotor gefunden. Sicherheitssysteme beispielsweise, wie die Fahrspurüberwachung, adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung und automatisches Wenden, Abblenden der Scheinwerfer und Einstellen des Infotainment-Systems werden ständig weiterentwickelt, bekommen zusätzliche Funktionen und müssen eine ständig wachsende Anzahl an Cloud-Applikationen unterstützen. Moderne Motormanagement-Systeme enthalten Start/Stopp-Funktionen sowie elek­tronisch gesteuerte Getriebe und Motorsteuerungen. Das Management des Antriebsstrangs und der Chassisfunktionen zielt darauf ab, gleichzeitig die Leistung, die Sicherheit und den Komfort zu steigern. Waren derartige Systeme bis vor einigen Jahren nur in luxuriösen Oberklassefahrzeugen implementiert, sind sie heutzutage in sämtlichen Automobilen aller Hersteller zu Hause. Dieser Fakt beschleunigt das Wachstum von Leistungs-ICs im Fahrzeug zusätzlich.

Zunahme von E/E-Systemen

Einer der Hauptfaktoren für das Wachstum elektronischer Systeme ist die Einführung von zahlreichen komplexen elektronischen Systemen, die die Leistung, den Komfort und die Sicherheit der Fahrzeuge verbessern. Viele dieser Systeme finden auch in einer Myriade von Nutzfahrzeugen Anwendung, wie Lastkraftwagen, Bussen oder Gabelstaplern. In diesen Anwendungen kommen allgemein zwei Batterien zum Einsatz. Die Entwickler diverser Systeme würden gerne dasselbe Design verwenden, um sowohl die Automobilanwendungen mit einer Batterie als auch die Nutzfahrzeugapplikationen mit zwei Batterien zu realisieren. Das erfordert allerdings ein Leistungs-IC, das beide Konfigurationen handhaben kann.

Bei Verwendung von zwei Bleibatterien in Reihe steigt die nominale Batteriespannung auf 24 V und benötigt einen Schutz vor Spannungsspitzen bis zu 60 V bei Überlast (Load Dump), verglichen mit einer nominalen Batteriespannung von 12 V bei Fahrzeugen und Schutzfunktionen für Spannungsspitzen von bis zu 36 V bei einer Überlastung. Umgekehrt benötigen Automobilapplikationen mit einer Batterie Leistungs-ICs, die mit Eingangsspannungen bis hinunter zu 3,5 V arbeiten, um mit den niedrigen Spannungen zurechtzukommen, die bei Kaltstart- und Start/Stopp-Bedingungen vorkommen. In Applikationen mit zwei Batterien sind diese Anforderungen in Hinsicht auf niedrige Eingangsspannungen nicht so streng, weil hier nur minimal 7 V Batteriespannung auftreten. Die großen temporären Spannungsschwankungen während Kaltstart/Start-Stopp und Überlast für Anwendungen mit einer Bleibatterie verdeutlicht Bild 1. Anwendungen mit zwei Batterien sehen ähnlich aus, aber die maximale Spannung während Load Dump beträgt generell 60 V und das Minimum während Kaltstart/Start-Stopp liegt bei 7 V.