Hochspannung im Auto
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Betrieb beim Kaltstart
Beim Kaltstart treten große Ströme auf, welche die Akkuspannung bis auf 4 V hinunterziehen. Sobald der Motor läuft, erreicht er wieder seine 13,8 V Nennspannung. Ein Problem tritt auf, wenn elektronische Systeme des Fahrzeugs auch während des Kaltstarts eine konstante 5-V-Ausgangsspannung erfordern. Ein herkömmlicher Abwärtsregler funktioniert nicht, wenn die Spannung unter 5 V sinkt. Ein SEPIC-DC/DC-Wandler (Single Ended Primary Inductor Converter) löst dieses Problem durch sowohl Aufwärts- als auch Abwärtsregelung, was allerdings um so schwieriger wird, je niedriger die Eingangsspannung ist. Der LT4356 kann bei 4 V praktisch verlustfrei übertragen und ermöglicht die Verwendung von nachgeschalteten DC/DC-Wandlern, die billiger und für niedrigere Spannungen ausgelegt sind. Mit seinem großen Eingangsspannungsbereich von 4 V bis 80 V kann er auch unter Kaltstart- und Lastabwurf-Bedingungen unterbrechungsfrei Strom liefern.
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Betriebsstrom und Verpolschutz
Mit dem Einsatz von neuen Navigations- und Sicherheitssystemen in Fahrzeugen steigen auch die Anforderungen an den Akku, selbst wenn die Zündung ausgeschaltet ist. Zusammen können mehrere hundert mA Ruhestrom eine Batterie innerhalb einiger Wochen vollständig entleeren. Der Überspannungsschutz LT4356 hat im Betrieb einen niedrigen Ruhestrom von typischerweise 600 µA. Der Shutdown-Eingang (SHDN) kann den LT4356 in einen Niedrigstrom-Modus versetzen. Fährt man die Version LT4356-1 herunter, wird die gesamte Funktion deaktiviert und der Ruhestrom auf nur 5 µA reduziert.
Letztendlich muss für den „perfekten Schutz“ auch noch die Möglichkeit eines verpolten Akkuanschlusses in Betracht gezogen werden. Zum Schutz gegen eine verpolte Eingangsspannung wird häufig eine Schottky-Diode in den Strompfad eingebunden. Diese Diode verbraucht nicht nur Leistung, sondern verringert auch den Ausgangsspannungsbereich, speziell bei niedrigen Eingangsspannungen wie etwa bei einem Kaltstart. Bei Verwendung des Gate-Ausgangs des LT4356 für den Betrieb eines verpolt angeschlossenen N-Kanal-MOSFET wird die herkömmliche Schottky-Diode unnötig. Dadurch können die damit verbundenen Spannungs- und Leistungsverluste vermieden werden.
Der Überspannungs-Schutzbaustein LT4356 schützt vor Überlastung und Kurzschlüssen und übersteht die Verpolung der Eingangsspannung mittels einer einfachen IC/MOSFET-Schaltung. Ein wichtiger Unterschied zu den bisher bekannten Überspannungsschutzschaltungen besteht darin, dass er auch gegen DC-Überspannung und -Überstrom schützt. Solche Schaltungen können nur die Energie von einigen J (Ws) für kurze Zeit vertragen, so dass sie bei längeren Zeiträumen als einige hundert Millisekunden schnell überhitzen und zerstört werden.
Der Hauptvorteil des LT4356 liegt in seiner Fähigkeit, diese Spannungsspitzen zu verkraften und wie ein Spannungsregler zu arbeiten, solange die Überspannung anliegt. Dadurch können nachgeschaltete Schaltungen unbeschädigt bleiben. Die Ausgangsspannung wird durch die Auswahl von Rückkopplungswiderständen festgelegt und lässt sich so einstellen, dass Spannungsspitzen von 100 V oder höher beherrscht werden. Falls die Überspannung weiter anliegt, legt ein einstellbarer Zeitgeber ein Zeitlimit fest, damit der MOSFET innerhalb seines Betriebsbereichs bleibt. Nach Ablauf des Zeitlimits wird die Last getrennt und das System heruntergefahren. Dadurch wird der sichere Arbeitsbereich (SOA) des MOSFET besser ausgenutzt als mit einem festen Zeitgeber-Intervall.
Automotive Elektronik muss äußerst weit auseinanderliegende Temperaturextreme aushalten. Die Temperaturen können in nördlichen Klimaregionen bis auf –40 ?C fallen und im Motorraum bis auf +125 ?C steigen. Der LT4356 ist dafür ausgelegt, in diesem Temperaturbereich zu arbeiten. Bei einem Fehler sorgt ein starker Gate-Strom von 150 mA auch bei schnell auftretenden Überspannungen am Eingang für schnelle Reaktionszeiten. Bild 2 zeigt die Reaktion des LT4356 auf einen Lastabwurf. Die Ausgangsspannung wird während der gesamten Dauer der Überspannung auf ein sicheres 16-V-Niveau heruntergeregelt.
Bild 3 zeigt ein Funktionsblockdiagramm des LT4356. Unter normalen Betriebsbedingungen treibt er das Gate eines N-Kanal-MOSFET, so dass seine Präsenz keinerlei Auswirkung auf den Lastschaltkreis hat. Der MOSFET wird als Reihenbegrenzer verwendet, wenn eine Überspannung oder ein Überstrom auftritt. Wenn die Eingangsspannung über einen vom Rückkopplungsteiler festgelegten Regelungspunkt steigt, treibt der Spannungsverstärker den MOSFET als Linearregler. So wird die Ausgangsspannung auf den festgelegten Wert begrenzt und es dem Lastschaltkreis ermöglicht, ungestört weiterzuarbeiten. Um den MOSFET und die Last vor Kurzschlüssen zu schützen, enthält der LT4356 eine Strombegrenzung.
Wenn zum ersten Mal Spannung anliegt oder der LT4356 aktiviert wird, wird der externe MOSFET allmählich leitend. Dieser sanfte Start sorgt für eine Einschaltstrombegrenzung, um u.a. das Durchbrennen der vorgeschalteten Sicherungen zu vermeiden. Sobald der MOSFET vollständig leitet (UDS < 700 mV), geht der Enable-Ausgang (EN) in den High-Zustand, um den Lastschaltkreis wie z.B. einen Schaltregler zu aktivieren.
Bei Überstrom bzw. Überspannungen wird der Stromverstärker (IA) bzw. der Spannungsverstärker (VA) angesprochen, die den Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung korrekt begrenzen. Im Falle einer Überspannung funktioniert der Lastschaltkreis weiter und ist, wie in Bild 2 dargestellt, nur einer leichten Erhöhung der Eingangsspannung ausgesetzt. Der Lastschaltkreis kann weiterarbeiten, wenn im Falle einer Stromüberlast eine hinreichende Ausgangsspannung verfügbar ist. Der Zeitgeberkondensator wird unabhängig von der Ursache jedes Mal aktiv, wenn der Ausgangsstrom begrenzt wird. Wenn die Situation lange genug bestehen bleibt, so dass der Timer (TMR) seinen ersten Spannungsschwellwert von 1,25 V erreicht, geht der Fehler-Ausgang (FLT) in den Low-Zustand, um den nachgeschalteten Schaltkreis vor einem bevorstehenden Stromausfall zu warnen. Sobald 1,35 V (zweiter Spannungsschwellwert) erreicht werden, fährt der Zeitgeber den MOSFET herunter und wartet eine gewisse Abkühlphase, bevor er einen Neustart versucht.
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- Überstrom- und Einschaltstromsteuerung
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