Batterielaufzeiten verlängern Hochvolt-ICs ersetzen Überspannungsschutz im Fahrzeug

Das Hochvolt IC LTC3895 hat längere Batterielaufzeit und ein schnelles Transientenverhalten.
Das Hochvolt IC LTC3895 hat längere Batterielaufzeit und ein schnelles Transientenverhalten.

Spannungsregler, die im Pkw zum Einsatz kommen, müssen extremen Temperaturen trotzen sowie eine hohe Transientenfestigkeit und eine niedrige Leistungsaufnahme aufweisen. Linear Technology hat das Hochvolt-IC LTC3895 entwickelt, das dank niedrigem Ruhestrom eine längere Batterielaufzeit ermöglicht.

In Personenkraftwagen, Lkw und schweren Maschinen kommen verschiedene Arten von Spannungsreglern zum Einsatz. Die Herausforderung dabei sind ein weiter Eingangsspannungs- und Temperaturbereich verbunden mit hoher Transientenfestigkeit. Eine weitere Überlegung, die eine Herausforderung darstellt, ist die Platzierung unter der Motorhaube, die einen hohen zulässigen Temperaturarbeitsbereich bis 150 °C erfordert; gleichzeitig nimmt bei eingeschränktem Platz die Anzahl der Komponenten zu. Das erschwert auf kleinstem Raum eine effiziente Regelung und den Überspannungsschutz am Eingang.

Das automobile Stromversorgungnetz muss unter vielen Bedingungen zuverlässig arbeiten, wie bei Lastabfall, Kaltstart oder hohen Temperaturen. Unter normalen Bedingungen variiert ein 12-V-Batteriesystem nur zwischen 9 und 18 V und ein 24-V-System zwischen 21 und 36 V. Bei Lastabfall jedoch steigt die Spannung für mehrere 100 ms auf bis zu 120 V. Ein Lastabfall geschieht, wenn bei Ladung die Verbindung zur Batterie unterbrochen wird. Bis der Spannungsregler anspricht, gelangt der volle Ladestrom auf den Versorgungsbus und die Spannung steigt auf ein gefährliches Niveau. Diese Transienten entstehen durch Unterbrechungen am Batteriekabel oder durch Korrosion an den Batterieanschlüssen.

Darüber hinaus sind noch weitere Faktoren zu beachten – hauptsächlich die langen Versorgungsleitungen von einer Verteilung im Motorraum bis zu den entlegenen Verbrauchern. Ein durchschnittliches Automobil hat heute etwa 1,6 km Kupferleitungen, verglichen zu den 46 m im Jahr 1948. Aufgrund des induktiven Charakters langer Leitungen entstehen bei Lastabfall noch größere Transienten. Nach gesetzlichen Regelungen muss beispielsweise die Rücklichtelektronik Transienten von +100 V überstehen. Das stellt eine Herausforderung an die IC-basierte Elek¬tronik wie an den Spannungsregler für die LED-Rücklichter dar.
Es gibt verschiedene elektronische Systeme, die ständig mit Strom versorgt werden müssen, auch wenn der Motor nicht läuft. Dazu zählen der schlüssellose Zugang (Remote Keyless Entry), GPS und die Sicherheitssysteme. Bei diesen Always-on-Systemen ist es erforderlich, Spannungsregler mit geringem Ruhestrom einzusetzen, um eine maximale Laufzeit der Batterie im Schlafmodus (Sleep Mode) zu erzielen. Dabei arbeitet der Schaltregler im normalen Continuous Mode, bis der Ausgangsstrom unter einen voreingestellten Wert von etwa 30 bis 50 mA fällt. Darunter geht der Regler in einen Betrieb mit noch geringerem Ruhestrom in der Größe einiger 10 µA, der die Batterielaufzeit nochmals verlängert.

Kritische Systeme müssen immer verfügbar sein und auch bei Transienten nahtlos ohne Unterbrechung arbeiten. Bis heute verfügen die meisten Fahrzeuge über passive Schutznetzwerke bestehend aus einem Tiefpass-LC-Filter und einem Transientenschutz-Array, um Spitzenspannungen auf dem Versorgungsbus zu unterdrücken. Moderne Abwärtsregler jedoch arbeiten auch bei Überspannungserscheinungen ohne die Notwendigkeit für zusätzlichen Überspannungsschutz.

Neue IC-Lösungen

Der LTC3895 von Linear Technology ist ein nicht isolierter synchroner Abwärtsschaltregler für die Ansteuerung von N-Kanal-MOSFETs. Der Eingangsbereich von 4 bis 140 V (max. 150 V) schützt vor Hochspannungstransienten und Überspannung. Externer Überspannungsschutz wird überflüssig.

Der Baustein arbeitet mit Duty Cycles bis zu 100 Prozent – auch wenn die Eingangsspannung bis zu 4 V herunter geht. Damit eignet er sich für Applikationen in Automobilen, Lkw und in schweren Maschinen.

Die Ausgangsspannung kann 0,8 V bis 60 V betragen und es werden Ausgangsströme bis 20 A mit einem Wirkungsgrad bis zu 96 Prozent geliefert. Im Sleep Mode zieht das IC bei geregeltem Ausgang 40 µA, gut für den Einsatz in Always-on-Systemen. Eine interne Ladungspumpe ermöglicht den Dropout-Betrieb mit 100 Prozent Duty Cycle, nützlich für Überspannungsschutz-Applikationen und bei der Versorgung durch die Batterie während der Entladung. Der 1-Ω-N-Kanal-MOSFET-Gate-Treiber des LTC3895 kann zwischen 5 und 10 V liefern und ermöglicht so den Einsatz von Logik- oder Standardpegel-MOSFETs mit maximaler Effizienz. Zur Vermeidung eines hohen On-Chip-Leistungsverbrauchs in Applikationen mit hoher Eingangsspannung enthält der LTC3895 einen NDRV-Pin, der das Gate eines optionalen externen N-Kanal-MOSFET ansteuern kann und wie ein Low-Dropout-Linearregler für die Versorgung von ICs agiert. Der EXTVCC-Pin ermöglicht es dem LTC3895, vom Ausgang eines Schaltreglers angesteuert zu werden oder von anderen verfügbaren Quellen, um die Leistungsaufnahme zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Der LTC3892/-1 arbeitet an fest einstellbaren Frequenzen zwischen 5 kHz und 900 kHz. Er lässt sich auch mit einem externen Takt zwischen 75 kHz und 850 kHz synchronisieren. Der Anwender kann zwischen folgenden Betriebsarten wählen: Continuous Mode, Pulse Skipping Mode und Low Ripple Burst Mode bei leichten Lasten. Die Current-Mode-Architektur vereinfacht die Schleifenkompensation, bietet schnelles Ansprechen auf Transienten, Betrieb mit fester Frequenz, sehr gute Netzregelung und einfache Stromaufteilung bei parallel geschalteten Phasen für höhere Ströme. Die Erfassung des Ausgangsstroms erfolgt durch Bestimmung des Spannungsabfalls über der Ausgangsinduktivität (DCR) mit hoher Effizienz oder durch einen optionalen Fühlerwiderstand für hohe Genauigkeit.

Die niedrige On-Zeit von 80 ns ermöglicht große Step-down-Verhältnisse bei hohen Schaltfrequenzen. Current Foldback (rücklaufende Strombegrenzung) begrenzt die Erwärmung des MOSFETs bei Überlast. Zusätzliche Merkmale schließen ein: die Option von fester Ausgangsspannung von 5 oder 3,3 V, integrierte Bootstrap-Diode, ein Power-Good-Signal sowie einstellbare Überspannungsabschaltung und Soft Start. Der LTC3895 ist im thermisch verbesserten TSSOP-38 erhältlich, wobei einige Pins für den Hochspannungseinsatz entfernt wurden. Es gibt zwei Sperrschichtbetriebstemperaturen für den erweiterten und industriellen Bereich von –40 bis +125 °C und eine Hochtemperaturversion von 40 °C bis 150 °C für den Einsatz in Automobilen.

Die Schaltung in Bild 1 liefert 12 V am Ausgang bei einer Eingangsspannung zwischen 7 V und 140 V. Ist der Eingang unter 12 V, folgt die Ausgangsspannung der Eingangsspannung, weil mit 100 Prozent Duty Cycle gearbeitet wird und der Top-MOSFET kontinuierlich eingeschaltet ist. Die Ladungspumpe des LTC3895 ermöglicht das.