Spulenfreier Schaltungsaufbau Hochspannungsladungspumpen vereinfachen Spannungswandlung

Speziell für Industrie und Automobilapplikationen entwickeltes Hochspannungs-Ladungspumpen-IC
Speziell für Industrie und Automobilapplikationen entwickeltes Hochspannungs-Ladungspumpen-IC

Ein speziell für industrielle und Automobilapplikationen entwickeltes, auf/abwärts und abwärts wandelndes Hochspannungs-Ladungspumpen-IC ermöglicht einen spulenfreien Schaltungsaufbau, der zudem mit drei vergleichsweise kleinen Keramikkondensatoren auskommt.

Ladungspumpen, oder geschaltete Kondensator-Spannungswandler, füllen eine Lücke im Leistungsspektrum zwischen linearen und auf Spulen basierenden Schaltreglern; deshalb bieten sie auch ein alternatives Design für einen Entwickler, der Spulen abgeneigt ist. Verglichen mit LDOs benötigen Ladungspumpen zum Betrieb einen zusätzlichen Kondensator (einen fliegenden Kondensator), sind allgemein geringfügig teurer, haben höheres Ausgangsrauschen und üblicherweise einen kleineren Ausgangsstrom. Sie haben jedoch Vorteile gegenüber Linearreglern, wie einen höheren Wirkungsgrad, gutes thermisches Management aufgrund des höheren Wirkungsgrads, können eine Spannung hoch oder herunter wandeln sowie negative Spannungen generieren. Wenn sie mit konventionellen Schaltreglern verglichen werden, sind der Ausgangsstrom und der Wirkungsgrad einer Ladungspumpe kleiner.

 Eigenschaften LDO-Reglergeschalteter Kondensator- Spannungswandlerspulenbasierter Schaltregler
 Design-Komplexität gering gering bis mittel mittel bis hoch
Kostengering bis mittelmittel bis hochmittel bis hoch
Rauschensehr geringgeringgering bis mittel
Wirkungsgradgering bis mittelmittel bis hochhoch
Thermisches Managementschlecht bis mittelmäßigmoderat bis guthervorragend
Ausgangstromgering bis mittelgering bis mittelhoch
Benötige magnetische Bauteilekeinekeineja
 Beschränkungen kann nicht aufwärts wandeln Vin/VOUT-Verhältnis Layout-Überlegungen
Vergleich der Leistungsparameter von LDO, Ladungspumpe und Schaltregler

Sie sind jedoch einfacher zu entwickeln und benötigen keine Spule. Jüngste Verbesserungen in der Halbleiter-Prozesstechnik haben die Erhöhung des Eingangsspannungsbereichs von Ladungspumpen im Vergleich zu Vorgängergenerationen ermöglicht. Tabelle 1 bietet einen Vergleich der Schlüsselparameter zwischen den erwähnten Topologien.

Ein Ladungspumpen-IC nutzt seine Kondensatoren als Energiespeicherelemente, um die Ausgangsspannung zu generieren. Dazu betrachtet man als Beispiel die Basis-Spannungsverdoppler-Ladungspumpe in Bild 1. Sie verdoppelt die Eingangsspannung mit einem einzigen fliegenden Kondensator (CFLY in Bild 1) und vier internen Schaltern (Kreise mit einem X), getrieben von einem Zweiphasentakt. In der ersten Taktphase (Θ1 in Bild 1) lädt ein Paar der Schalter den fliegenden Kondensator bis zur Eingangsspannung (Ueing) auf. In der zweiten Taktphase (Θ2 in Bild 1) verbindet ein dritter Schalter den negativen Anschluss des Kondensators mit Uein, was effektiv 2 × Ueing am positiven Anschluss des Kondensators generiert.

Der vierte Schalter verbindet den positiven Anschluss des fliegenden Kondensators mit dem Ausgangskondensator. Ist kein Verbraucher vorhanden, wird die Ladung in jedem Zyklus so lange an den Ausgangskondensator fließen, bis der Ausgang auf 2 × Ueing aufgeladen ist, wodurch die Eingangsspannung verdoppelt wird. Liegt ein Verbraucher an, liefert der Ausgangskondensator (Causg in Bild 1) den Laststrom während der ersten Phase; der Flying-Kondensator liefert während der zweiten Phase den Laststrom und lädt den Ausgangskondensator. Damit Ladung transferiert werden kann, wird der Ausgang auf eine Spannung knapp unter 2 × Ueing geregelt. Das Laden und Entladen des Ausgangskondensators in der zweiten Taktphase erzeugt eine Ausgangswelligkeit, die eine Funktion des Kondensatorwerts, der Taktfrequenz und des Ausgangs-Laststroms ist.

Alle weiteren Schaltungstopologien von Ladungspumpen folgen durch Hinzufügen/Ändern von Schaltern und Kondensatoren sowie der Anzahl der Taktphasen dieser Basisschaltung. Ladungspumpen können Spannungen verdoppeln, verdreifachen, halbieren, invertieren, mit Bruchzahlen multiplizieren oder skalieren wie ×3/2, ×4/3, ×2/3 und arbiträre Spannungen generieren, abhängig vom Controller und der Schaltungstopologie. Der Wirkungsgrad der Ladungspumpe kann, nahe an ihrem idealen Ladungsverhältnis, recht gut sein. In dem beschriebenen Beispiel der Spannungsverdoppelung ist der Eingangs-Versorgungsstrom gleich zweimal dem Ausgangslaststrom, so dass die Eingangsleistung im Idealfall gleich der Ausgangsleistung ist. In der Realität ist der Wirkungsgrad wegen des Ruhestroms im Betrieb und weiterer Verluste etwas geringer als ideal. Die Vielseitigkeit von Ladungspumpen ermöglicht ihren Einsatz in vielfältigen Applikationen und Marktsegmenten. Ihre verbesserte Robustheit, ermöglicht durch neue, innovative Designtechniken, öffnet ihnen Einsatzmöglichkeiten in rauen industriellen und Automobil-Märkten.

Herausforderungen von industriellen und Automobil-Designs

Elektronische Systeme, die für Automobilapplikationen entwickelt werden, sind aus vielen Gründen herausfordernd, wie großer Betriebstemperaturbereich, strenge Anforderungen an geringe EMI (elektromagnetische Interferenz) und Verkraften hoher Spannungsspitzen, ebenso wegen der hohen Qualitätsanforderungen, die die Automobil-OEMs stellen. Das Innenleben des Armaturenbretts eines Fahrzeugs ist ausgefüllt mit Elektronik. In diese überfüllten Armaturenbretter werden noch Funkgeräte für Netzwerke hinzugefügt, die, angefangen bei Bluetooth, bis hin zu auf Telefonen basierenden Systemen reichen. Deshalb ist es wichtig, dass jede zusätzliche Schaltung für diese thermisch belastete Umgebung nicht zusätzlich extensiv Wärme oder EMI einbringt. Es gibt strenge Anforderungen für abgestrahlte oder abgeleitete Emissionen ebenso wie für die Empfindlichkeit gegenüber Einstrahlungen, eingekoppelten Störungen und elektrostatischen Entladungen (ESD). Die Konformität mit diesen Anforderungen betreffen auch die Leistungsaspekte eines IC-Designs. Die geringen EMI- und Rauschemissionen von Ladungspumpen (keine magnetischen Bauteile – keine Spulen) machen sie zu einer idealen Wahl. Ladungspumpen haben allgemein geringere EMI als induktive Schalter, weil die Betriebphasen (runs) des Flying-Kondensators minimiert werden können, um kapazitive Kopplungen und Antenneneffekte zu minimieren. Spulen sind auch größer als Kondensatoren und agieren als Antennen, besonders dann, wenn sie nicht abgeschirmt sind. In der Realität erzeugen die Ausgänge des fliegenden Kondensators auch nicht mehr Störungen als ein typischer digitaler Ausgang; eher noch weniger, weil die Leiterplatten-Leiterbahnen minimiert sind.

Beginnt man mit dem großen Betriebstemperaturbereich, dann sind Leistungs-ICs an zwei Fronten herausgefordert. Zunächst bei der Spannungswandlung: Sie müssen, selbst wenn sie moderat bis sehr effizient sind, stets eine bestimmte Menge Leistung als Wärme abgeben. Wenn dies mit der zusätzlichen Herausforderung eines weiten Betriebstemperaturbereichs verbunden ist, kann die maximale Sperrschichttemperatur des IC häufig 125 °C überschreiten. Selbst in der Elektronik, die in der Karosserie und nicht unter der Motorhaube eingesetzt wird, kann die Umgebungstemperatur innerhalb eines gekapselten Elektronik-Steuermoduls 95 °C erreichen. Wegen dieser hohen Temperaturanforderungen sind viel ICs, die für 85 °C oder selbst 125 °C ausgelegt sind, für den ununterbrochenen Betrieb bei hohen Temperaturen nicht geeignet. Hier werden ICs benötigt, die bis zu +150 °C arbeiten können.

Darüber hinaus gibt es weitere Herausforderungen in der Automobilumgebung, wie niedrigere Umgebungstemperaturen, die die Fähigkeit erfordern, Kaltstartbedingungen (~3 V) auf 5-V-Wandlungsbedingungen zu verstärken, wobei der Eingang unter die gewünschte Eingangsspannung fallen kann. In der Regel ist hier ein Baustein erforderlich, der abwärts und aufwärts wandeln kann. Schließlich müssen DC/DC-Wandler, die mit den Anschlüssen einer Autobatterie verbunden sind, wegen der gelegentlich extremen Ausschläge der Lichtmaschinenspannung oder bei der Starthilfe für das Fahrzeug große Spannungsschwankungen verkraften. Hier ist entsprechend ein Baustein mit Schutzfunktionen vor extrem hohen Eingangsspannungsspitzen nötig. Das industrielle Marktsegment hat ähnliche Anforderungen wie der Automobilmarkt und ist besonders anspruchsvoll, was extreme Temperaturen und einen großen Eingangsspannungsbereich betrifft. Die Hauptherausforderungen, denen sowohl die Entwickler von elektronischen Automobil- als auch industriellen Systemen gegenüber stehen, sind folgende:

  • ausgewogene Verlustleistung bei Betrieb in hohen Umgebungstemperaturen,
  • hohe Immunität gegenüber abgestrahltem und abgeleitetem Rauschen bei geringen eigenen Emissionen,
  • das Verkraften von extrem hohen Spannungsschwankungen,
  • die sichere Bereitstellung von 5 V (bzw. 3,3 V) bei Kaltstartbedingungen mit geringen Spannungen und
  • das Minimieren der Ausmaße und des Flächenbedarfs der Gesamtlösung.

Die traditionelle Methode, diese Design-Probleme zu lösen, ist eine Kombination von Hochvolt-Abwärts- und Aufwärtsreglern oder echte Vierschalter-Auf/Abwärts-DC/DC-Wandler. Diese Lösungen können jedoch groß und teuer sein, da sie häufig zusätzliche Hilfsmaßnahmen benötigen, um EMI-Probleme zu vermeiden. Eine Alternative, die diese beschriebenen Einschränkungen aufhebt, besteht in der Verwendung einer abwärts wandelnden Ladungspumpe bzw. abwärts/aufwärts wandelnden Hochspannungs-Ladungspumpe, die mit umfangreichen Schutzfunktionen ausgestattet ist, sich für einen weiten Betriebstemperaturbereich eignet und einen guten Wirkungsgrad aufweist. Zudem benötigt sie nur drei kleine Kondensatoren.