Schaltregler für das Bordnetz mit speziellen Eigenschaften
Neue Herausforderungen an ICs im Automobil
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Neue Herausforderungen an ICs im Automobil
Um eine längere Batterie-Laufzeit zu erreichen, müssen die Ruheströme dieser Komponenten deutlich reduziert werden. Die Forderung nach hoher Eingangsspannung bei geringem Ruhestrom war bis vor kurzem mit einem Schaltregler noch nicht zu erfüllen. Versorgungsströme zwischen 2 und 10 mA für jeden eingesetzten Abwärtswandler belasten die Batterie erheblich, weil hier der Strombedarf anderer „Always On“-Systeme hinzukommt, dazu zählen ABS-System und elektronisch betätigte Fensterheber.
Mehrere Automobilhersteller haben einen Richtwert von je 100 μA für die Ruheströme der im Dauerbetrieb eingesetzten Schaltregler festgesetzt. Die Systemhersteller haben dazu bisher parallel zum Abwärtswandler einen Linearspannungsregler (LDO Regulator – Low Drop-Out Regulator) mit erheblich geringerem Ruhestrom eingesetzt, auf den bei jedem Abschalten des Fahrzeugs umgeschaltet wurde. So entstanden teure, sperrige und vergleichsweise ineffiziente Schaltungen. Schaltregler mit „Burst Mode“-Betrieb lassen sich hier wesentlich kompakter und effizienter einsetzen.
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Lastabfall und Kaltstart
Lastabfall ist ein Zustand, in dem die Batterie-Kabel nicht angeschlossen sind, während die Lichtmaschine versucht, die Batterie aufzuladen. Dieser Fall kann eintreten, wenn ein Batterie-Kabel während des Betriebs nicht richtig angeschlossen ist oder beschädigt wird. Bei einer abrupten Unterbrechung der Verbindung zur Batterie können kurzzeitige Spannungsspitzen bis zu 60 V auftreten. Mit Hilfe von Überspannungsschutzdioden (TVS – Transient Voltage Suppressor) an der Lichtmaschine kann die Busspannung zwischen 36 V und 60 V gehalten und der Großteil des Spitzenstroms aufgenommen werden; allerdings sind die der Lichtmaschine nachgeschalteten Schaltregler diesen Spannungsspitzen zwischen 36 V und 60 V ausgesetzt. Da diese Schaltregler und die von ihnen versorgten Untersysteme in Betrieb bleiben und in manchen Fällen auch während einer solchen Spannungsspitze eine geregelte Ausgangsspannung liefern sollen, müssen die Schaltregler diesen kurzzeitigen Überspannungsspitzen unbedingt standhalten können. Hierzu können verschiedene externe Schutzschaltungen installiert werden.
Unter „Kaltstart“ wird ein Zustand verstanden, in dem der Motor eines Fahrzeuges über einen längeren Zeitraum sehr niedrigen Temperaturen bzw. Frost ausgesetzt war. Das Motoröl wird dann sehr zähflüssig, und der Anlasser muss ein höheres Drehmoment aufbringen, wozu mehr Strom von der Batterie benötigt wird. Die Spannung an der Batterie kann dabei unter 4,0 V sinken; in der Regel steigt sie anschließend wieder auf den Nominalwert von 12 bis 13,8 V (siehe Bild 1). Bestimmte Anwendungen – Motorsteuerung, Sicherheits- und Navigationssysteme – benötigen jedoch auch beim Kaltstart eine geregelte Ausgangsspannung.
ICs für hohe Temperaturen
Linear Technology [3] bietet eine Baureihe von Schaltreglern an, die bei Kaltstart arbeiten, einen Lastabfall überstehen und Ruheströme von weniger als 100 μA benötigen. Ein Beispiel dafür ist der Abwärtsschaltregler LT3480, der bei 38 V einen Ausgangsstrom von 2 A liefert und dabei gegen Eingangsspannungsspitzen bis 60 V geschützt ist. Der Eingangsspannungsbereich reicht von 3,6 bis 38 V, der Baustein arbeitet wegen des Schutzes gegen Eingangsspannungsspitzen auch bei Lastabfall und Kaltstart. In Bild 1 liefert der LT3480 am Ausgang geregelte 3,3 V bei 36 V Eingangsspannung. In Bild 2 schaltet der LT3480 bei mehr als 41,5 V ab, um sich und nachgeschaltete Komponenten zu schützen. Sobald die Spannungsspitze wieder unter 38 V fällt, nimmt der Baustein den Betrieb wieder auf. Der interne 3-A-Schalttransistor liefert einen Dauerausgangsstrom von 2 A bis herab zu Spannungen von 0,79 V. Im Burst-Modus beträgt der Ruhestrom im lastfreien Zustand 70 μA. Der Baustein eignet sich damit für Anwendungen, die im Dauerbetrieb laufen und eine möglichst lange Batterie-Laufzeit benötigen (Bild 3). Die Schaltfrequenz lässt sich zwischen 200 kHz und 2,4 MHz programmieren. So kann der Entwickler den Wirkungsgrad optimieren und dabei kritische, rauschanfällige Frequenzbänder vermeiden. Wegen des 3 mm × 3 mm großen DFN-10-Gehäuses bzw. des thermisch optimierten MSOP-10E-Gehäuses sowie der hohen Schaltfrequenz können sehr kleine externe Induktivitäten und Kondensatoren verwendet werden (Bild 4).
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- Thermische Anforderungen und hohe „Elektronik-Dichte“ im Automobil
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