Probleme mit der Elektronik beim Kaltstart lassen sich lösen Kaltstart

Ob zum Anlassen des Motors bei kalter Witterung oder bei Lastabschaltungen (Load Dumps): Abwärts-/Aufwärtswandler können in Automobilen stabile, unterbrechungsfreie Versorgungsspannungen über den gesamten Batteriespannungsbereich liefern.

Probleme mit der Elektronik beim Kaltstart lassen sich lösen

Ob zum Anlassen des Motors bei kalter Witterung oder bei Lastabschaltungen (Load Dumps): Abwärts-/Aufwärtswandler können in Automobilen stabile, unterbrechungsfreie Versorgungsspannungen über den gesamten Batteriespannungsbereich liefern.

Die stark schwankende Spannung von 12-V-Bordnetzen in Fahrzeugen kann für Elektronik-Anwendungen in der Automobiltechnik eine Herausforderung darstellen. Bei Spannungen, die von 3,5 V bis 28 V (45 V) reichen, sind einfache Stromversorgungslösungen wie lineare Spannungsregler und einfache Abwärts-/ Gleichspannungswandler nicht immer die richtige Lösung, um die gewünschten Versorgungsspannungen für die Steuergeräte bereitzustellen. Durch eine Abwärts-/Aufwärtswandler-Topologie (kombinierter Buck/ Boost) lässt sich dieses Problem beseitigen, ohne dass magnetisch gekoppelte Spulen (Transformatoren wie beim SEPIC-Wandler bzw. Sperrwandler) benötigt werden. Gleichzeitig bieten sie eine kostengünstige und einfache Systemlösung.

Bei vielen Automotive-Anwendungen entspricht die von der Batterie und der Lichtmaschine gelieferte Spannung nicht immer den Anforderungen der Steuereinheiten. Daher muss eine Umwandlung in den richtigen Spannungswert mit Schaltreglern erfolgen, da lineare Regler keine Ausgangsspannungen erzeugen können, die über der zugeführten Eingangsspannung liegen. Die am weitesten verbreitete Topologie ist der Abwärtswandler. Da er nur eine einzige Induktivität, eine Diode und einen Schalter benötigt, ist er eine der einfachsten und kostengünstigsten DC/DC-Schaltungsvarinten. Ein Nachteil besteht jedoch in der Einschränkung, dass nur Ausgangsspannungen erzeugt werden, die niedriger als die Eingangsspannung sind. Wenn eine im Vergleich zur Eingangsspannung höhere Ausgangsspannung benötigt wird, kann die invertierende Variante, der Aufwärtswandler, eingesetzt werden. Diese Topologie erfordert ähnliche Komponenten, liefert jedoch höhere Ausgangsspannungen als die Eingangsspannung.

Funktionsverlust ist nicht akzeptabel

Da die Bordnetzspannung in Fahrzeugen innerhalb eines breiten Bereichs schwanken kann – bis zu 3,5 V während des Anlassens und bis zu 45 V während eines Load-Dumps mit Spannungsbegrenzung –, ist eine Überschneidung von Eingangs- und Ausgangsspannungspegeln bei einigen Anwendungen unvermeidlich. Der Funktionsverlust während des Anlassens (Starten des Motors) ist nicht akzeptabel, insbesondere für Anwendungen im Antriebsstrang, bei der Instrumententafel und für einige Navigations- und Infotainmentsysteme. Das Problem ließe sich z.B. mit einem Sperrwandler bzw. der SEPIC-Topologie beseitigen. Aufgrund der höheren Kosten und des zusätzlichen Platzbedarfs für die Übertrager sind diese Lösungen für die meisten Automotive-Entwicklungen jedoch weniger interessant.

Die Abwärts-/Aufwärtstopologie (kombinierter Buck/Boost) ist eine Technik, die eine konstante Ausgangsspannung liefern kann, selbst wenn sich der Eingangsspannungs- und der Ausgangsspannungswert überschneiden. Gleichzeitig weist sie einen einfachen Schaltungsaufbau mit nur einer einzigen Spule auf und vereint Abwärts- und Aufwärtswandler in einer Topologie. Durch einen nahtlosen Übergang zwischen den zwei unterschiedlichen Modi ist eine stabile unterbrechungsfreie Ausgangsspannung unter allen Eingangsspannungsbedingungen möglich.

Beim asynchronen Abwärts-/Aufwärtswandler (Bild 1) werden zwei unterschiedliche Topologien miteinander kombiniert. Daher sind, anders als bei einfachen Abwärts- oder Aufwärtswandlern mit einem Schalter und einer Diode, hier zwei Schalter und zwei Dioden erforderlich. Um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen, können die zwei Dioden durch Schalter ersetzt werden. Die Topologie ähnelt nun einer H-Vollbrücke mit Drossel. Die allgemeine Funktion dieser Bausteine kann in drei Betriebsarten unterteilt werden:

  • Abwärtsmodus bei Eingangsspannungen oberhalb der Ausgangsspannung.
  • Aufwärtsmodus bei Eingangsspannungen unterhalb der Ausgangsspannung.
  • Übergangsmodus bei einer Eingangsspannung im Bereich der Ausgangsspannung.