Energiesparende DC/DC-Wandler

Die Entladung stoppen

21. April 2021, 14:30 Uhr | Von Martin Moss

Wird ein Auto für längere Zeit stehengelassen, besteht das Risiko, dass die Fahrzeugbatterie durch elektrische Verbraucher entladen wird. Es gilt also, den Strombedarf der Schaltungsdesigns zu senken. Beim Einsatz von Schaltreglern gibt es einige grundsätzliche Methoden zum Energiesparen.

Moderne Kraftfahrzeuge werden immer ausgefeilter und enthalten zunehmend mehr fortschrittliche Elektroniksysteme, um neue Komfortmerkmale zu ermöglichen und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen zu verbessern. Je mehr Funktionen und je mehr Elektronik die Automobilhersteller allerdings in ihre Fahrzeuge integrieren, umso mehr elektrische Energie benötigen die Bordsysteme.

Zwar könnte man Autos mit Solarpanels bestücken, aber die damit erzeugte elektrische Energie reicht für den Antrieb bei Weitem nicht aus und kann auch den Bedarf der neuen elektrischen Funktionen keinesfalls decken. Entwickler sind folglich gefordert, Bauelemente einzusetzen, die den Energiebedarf ihrer Designs reduzieren.

Die Bedeutung eines geringen Energiebedarfs

In den meisten Fahrzeugen, die aktuell auf den Straßen unterwegs sind, wird elektrischer Strom mithilfe eines Generators erzeugt, der vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Diese elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert, und zwar häufig noch in einer traditionellen Blei-Säure-Batterie, in modernen Autos immer öfter in einer Lithium-Ionen-Batterie. Die Verwendung einer Batterie als Energiespeicher hat freilich einen Nachteil: Wird ein Fahrzeug längere Zeit unbenutzt stehengelassen, zum Beispiel auf einem Flughafenparkplatz, kann sie sich vollständig entladen, sodass anschließend Starthilfe benötigt wird.

Viele Mikrocontroller nehmen so viel Strom auf, dass sie eine Fahrzeugbatterie durchaus entladen können, zumal in einem abgestellten Fahrzeug immer mehr MCUs aktiv sind, um diverse Funktionen und Features zu steuern und zu überwachen. Bei diesen Funktionen kann es sich beispielsweise um eine aus Sicherheitsgründen eingebaute Präsenzerkennung mithilfe von Sensoren wie etwa Radar oder Kameras handeln, oder auch um eine Funktion zur Detektierung des vom Fahrer mitgeführten Funkschlüssels bei Annäherung an das Auto, damit die Türen entriegelt werden und der Motor von außen gestartet werden kann.
Auch Umweltschutzaspekte müssen in die Überlegungen einfließen, denn schließlich erzeugt der Verbrennungsmotor beim Laden der Batterie Kohlendioxid sowie andere Gase und Schadstoffe, die aus dem Verbrennungsvorgang resultieren. Energieeffizienzaspekte werden Einfluss auf künftige Fahrzeugarchitekturen haben, wenn die Automobilhersteller Batterien nicht nur für den Antrieb, sondern für verschiedenste andere Aufgaben nutzen. Die Fahrzeuge werden nicht nur im geparkten Zustand Energie benötigen, sondern wegen des Wegfalls des Generators wird diese Energie während der Fahrt nicht wieder ersetzt werden. Vielmehr entnehmen Anwendungen wie das Heizungs-, Klimatisierungs- und Lüftungssystem, die Scheibenwischer, die elektrischen Fensterheber usw. während der Fahrt laufend Energie aus der Batterie.

Energiebedarf muss niedriger werden

Elektronische Steuergeräte sind für den Betrieb der Elektronik im Fahrzeug zuständig und steuern die Funktionen eines Automobils – ob es nun fährt oder steht (auf einem Parkplatz abgestellt oder vor einer Ampel wartend). Die Zahl der im Stand-by- oder Always-on-Modus befindlichen ECUs wird in Zukunft weiter ansteigen, sodass die Senkung des Energiebedarfs mit immer größeren Herausforderungen verbunden sein wird.

Die meisten ECUs basieren auf einem zentralen Mikrocontroller, einer Kommunikationsschnittstelle und Bauelementen zur Stromversorgung. In einigen Fällen kann der Kommunikationsbus die ECUs nicht einzeln, sondern nur alle gemeinsam abschalten. Das kann dazu führen, dass sich diese nicht vollständig im Sleep-Modus befinden, sondern weiter Energie verbrauchen. Im Sleep-Modus müssen Automobilsysteme strikte Verbrauchsvorgaben einhalten, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Die in Automotive-Designs verwendeten

Stromversorgungsbauelemente müssen folglich im Stand-by-Betrieb mit möglichst wenig Energie auskommen. Die Kennzahl hierfür ist die Ruhestromaufnahme IQ.

DC/DC-Abwärtswandler optimieren das Design

Moderne Schaltregler sind häufig so konzipiert, dass sie dem System möglichst wenig Energie entnehmen, während gleichzeitig die korrekte Regelung und Funktion aufrechterhalten wird – insbesondere dann, wenn das System hochfährt und der Betrieb schnell wieder aufgenommen wird. Dies zeigt das Beispiel des synchronen Abwärtswandlers LMR36506-Q1 von Texas Instruments (Bild).

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Einige wichtige Funktionsabschnitte des LMR36506-Q1, wie etwa die internen Bias-Schaltungen, der Low-Dropout-Regler (LDO), der Transkonduktanzverstärker und die Spannungsreferenzblöcke müssen eingeschaltet bleiben. Der zum Regelkreis gehörende Transkonduktanzverstärker etwa dient zum Regeln des Ausgangs. Kritische Bauteile des Regelkreises müssen ebenfalls aktiv sein, um eine schnelle Reaktion auf einen Lastsprung zu gewährleisten und die am Verbraucher anstehende Spannung zu regeln. Sie können nicht abgeschaltet werden, denn sonst wäre die korrekte Regelung nicht gewährleistet.

Der Energiebedarf der LDOs und der Transkonduktanzverstärker konnte im Sleep-Modus deutlich reduziert werden. Außerdem sind diese Funktionsblöcke für einen schnellen, präzisen und effizienten Wechsel aus dem Low-Power- in den normalen Betrieb konzipiert. Der Softstartblock und die Bandlückenreferenz wurden im Hinblick auf einen niedrigen Energiebedarf und einen geringen IQ-Wert entwickelt. Denn andernfalls müssten diese Funktionsblöcke über komplexere Ein- und Ausschaltfunktionen verfügen, um auf Änderungen des Lastprofils reagieren zu können.

Der von Natur aus effiziente LDO liefert eine saubere Ausgangsspannung. Er fungiert als Hauptstromversorgung für die internen Schaltungen des Schaltwandlers und stellt die DC-Kollektorspannung (VCC) für zahlreiche interne Schaltungen zur Verfügung. Ein Beispiel sind die Treiber für die ausgangsseitigen MOSFETs. Ein MOSFET-Treiber muss als Quelle und Senke für Strom aus VCC fungieren. VCC dient überdies zum Laden des Boot-Kondensators für den high-seitigen MOSFET.

Der LDO muss ferner hohe Stabilität, ein gutes Netzstörunterdrückungsverhältnis und eine hohe Genauigkeit aufweisen, um korrekt zu funktionieren. Dies gestaltet sich umso schwieriger, je weiter sein Energiebedarf reduziert wird. Die Energiebedarfsanforderungen des LDOs können sich mit der Ausgangsleistung des Schaltwandlers ändern. Denn die Ausgangs-MOSFETs werden mit zunehmender Leistung größer. Bei kleineren Wandlern ist es in der Regel einfacher, die Forderung nach einem geringen Stand-by-Energiebedarf zu erfüllen.

Im LMR36506-Q1 lässt sich der eingebaute LDO ein- und ausschalten, um Energie zu sparen. Nach dem Hochfahren des Schaltreglers könnte man außerdem die Ausgangsspannung an einen Bias-Pin führen, der mit dem LDO verbunden ist. Da die Differenz zwischen der Ausgangsspannung (VOUT) und VCC geringer ist, lässt sich viel Energie sparen, indem man die Energie nicht aus der Eingangsspannung (VIN) bezieht.