Spannungsregler
Minimaler Ruhestrom spart Energie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Betrieb mit hohem Wirkungsgrad für mehr Reichweite
Der Betrieb von Leistungs-ICs mit hohem Wirkungsgrad in Automobilanwendungen spielt aus zwei Gründen eine wichtige Rolle. Je effektiver erstens die Leistungswandlung ist, desto kleiner ist die verlorene Energie in Form von Wärme. Weil Wärme die Langzeitzuverlässigkeit eines jeden elektronischen Systems minimiert, muss sie effektiv gemanagt werden. Das bedeutet in der Regel den Einsatz von Kühlkörpern zur Wärmeabfuhr, was jedoch wiederum die Komplexität, Ausmaße und Kosten der Lösung in die Höhe treibt. Zweitens reduziert jede verlorene Energie in Hybrid- oder Elektroautos die Reichweite der Fahrzeuge. Bis vor Kurzem schlossen sich dafür monolithische Hochspannungs-Power-Management-ICs und verlustleistungsarme synchrone Gleichrichter-Designs gegenseitig aus, weil der erforderliche IC-Fertigungsprozess nicht beide Ziele unterstützen konnte. Traditionell waren die Lösungen mit dem höchsten Wirkungsgrad Hochspannungs-Controller, die externe MOSFETs für ihre synchrone Gleichrichtung nutzten. Diese Konfigurationen sind jedoch bei Applikationen unter 15 W im Vergleich zu einer monolithischen Alternative relativ komplex und groß. Mittlerweile gibt es nun kommerziell verfügbare Power-Management-ICs, die eine hohe Spannung (bis 65 V), einen hohen Wirkungsgrad und eine interne synchrone Gleichrichtung haben.
Ständig eingeschaltete Systeme benötigen niedrigen Versorgungsstrom
Viele elektronische Subsysteme müssen im Standby- oder Bleibe-Aktiv-Modus arbeiten und dürfen in diesen Zuständen nur einen minimalen Ruhestrom bei einer geregelten Spannung ziehen. Diese Schaltungen findet man in den meisten elektronischen Leistungssystemen für Navigations- und Sicherheitssysteme (Safety und Security) sowie Motormanagement-Systeme. Jedes dieser Subsysteme kann mehrere Mikroprozessoren und Mikrocontroller beinhalten. Die meisten Fahrzeuge der Premiumklasse verfügen über 150 DSPs. Rund 20 Prozent davon erfordern einen ständig eingeschalteten Betrieb. In diesen Systemen muss das Power-Management-IC in zwei unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten. Erstens, wenn das Auto fährt, werden die Leistungswandelschaltungen, die diese DSPs versorgen, üblicherweise mit vollem Strom aus der Batterie und dem Ladesystem betrieben. Wenn jedoch die Zündung des Autos ausgeschaltet wird, müssen die Prozessoren in diesen Systemen betriebsbereit bleiben. Dazu ist es notwendig, dass ihre Leistungs-ICs eine konstante Spannung liefern, dabei aber nur minimal Strom aus der Batterie ziehen. Weil bis zu 30 dieser ständig eingeschalteten Prozessoren gleichzeitig betriebsbereit sind, muss die Batterie signifikant Leistung liefern, selbst wenn die Zündung aus ist. Zusammen können einige hundert Milliampere Versorgungsstrom notwendig werden, um diese ständig eingeschalteten Prozessoren zu versorgen, die eine Batterie in nur wenigen Tagen vollständig entladen können.
Wenn zum Beispiel die Hochspannungs-Abwärtsregler eines Fahrzeugs 2 mA Versorgungsstrom benötigen und 30 Bausteine aus Sicherheitssystemen, GPS-Systemen und Remote-Keyless-Türöffnern mit anderen vorgeschriebenen ständig eingeschalteten Systemen wie ABS-Bremsen und Kriechströmen von elektrisch betätigten Fenstern kombiniert werden, kann die Batterie nach einer dreiwöchigen Geschäftsreise so weit entladen sein, dass sie den Motor nicht mehr starten kann. Deshalb muss der Ruhestrom dieser Stromversorgungen gesenkt werden, um die Batterie betriebsbereit zu halten, ohne die Ausmaße oder Komplexität des elektronischen Systems zu erhöhen. Bis jetzt kann ein Spannungsregler die Anforderungen nach einer hohen Eingangsspannung und gleichzeitig niedrigen Ruheströmen nicht erfüllen. Um diese Anforderungen besser zu managen, definierten mehrere Automobilhersteller vor zehn Jahren das Ziel eines Ruhestroms von <100 µA für jeden ständig eingeschalteten Regler. Heute wird alles, was unter 10 µA liegt, bevorzugt. Mit dem LT8620 hat Linear Technology einen Leistungs-IC vorgestellt, der Ruheströme von unter 3 µA aufweist.
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Optimal bei Kaltstart und Load Dump
Der Spannungsbereich der Stromversorgung von Automobilen mit nur einer Batterie und Nutzfahrzeugen mit zwei Batterien kann von unter 3,5 V bis auf über 60 V variieren, wenn diese Stromversorgung unterschiedlichen Spannungsspitzen-Szenarien und Konfigurationen ausgesetzt ist. Der Bedarf für exakt geregelte Spannungspegel trotz dieses weiten Bereichs an Eingangsspannungen benötigt leistungsfähige Leistungswandler-ICs mit einem weiten Eingangsspannungsbereich. Da sich das Wachstum des Elektronikanteils im Automobil mit elektronischen Steuerungsmodulen (ECM), die für Sicherheit, Navigation, Chassis Control und Motor-/Getriebemanagement eingesetzt werden, weiter beschleunigt, wird auch der Bedarf an Hochspannungs-Power-Management-ICs steigen.
Der LT8620 ist der erste einer Familie von synchronen Hochspannungs-Abwärtsreglern. Durch seinen Eingangsspannungsbereich von 3,4 bis 65 V eignet er sich ideal für Anwendungen in Automobilen und Nutzfahrzeugen (mit einer oder zwei Batterien), die sowohl geringen Spannungen wie bei Kaltstart und Start/Stopp als auch hohen Spannungsspitzen, wie sie bei Überlastbedingungen auftreten, ausgesetzt sind. Aufgrund seines kontinuierlichen Ausgangsstroms von 2 A und der Fähigkeit, Ausgangsspannungen von 1 V bis knapp unter die Eingangsspannung zu liefern, eignet er sich für viele Automobil-Spannungspegel, am Batteriebus mit einer oder mit zwei Batterien. Die Komponente ist eine kompakte und einfache Lösung, die den Einsatz externer Dioden überflüssig macht (Bild 2).
- Minimaler Ruhestrom spart Energie
- Betrieb mit hohem Wirkungsgrad für mehr Reichweite
- Design-Optimierung für höheren Wirkungsgrad
