PoL-Stromversorgungen für Automotive So machen Abwärtswandler Ihre Stromversorgung flexibler

Der Aufbau von Stromversorgungen für Prozessoren in Fahrerassistenz-Systemen ist generell recht ähnlich. Diskrete Abwärtswandler schaffen zusätzliche Flexibilität im Design.

Ein bekannter Spruch lautet: Wer als Werkzeug nur einen Hammer hat, sieht in jedem Problem einen Nagel. Wenn es um die Stromversorgung von Automotive-Prozessoren geht, wartet das umfangreiche Portfolio hochintegrierter Power-Management-ICs (PMICs) von TI jedoch mit Hämmern, Schraubendrehern und mehr auf. Allerdings ist Ihr Power-Designer-Werkzeugkasten so lange unvollständig, so lange Sie nicht auch die diskreten Abwärtswandler (Buck Converters) berücksichtigen.

In diesem Beitrag werde ich deshalb auf ein paar Situationen eingehen, in denen Abwärtswandler aufgrund ihrer Flexibilität gute Kandidaten für Point-of-Load-Stromversorgungen (PoL) im Automotive-Bereich sind.

Unabhängig davon, in welchem System sie genau eingesetzt werden, haben die baumförmigen Stromversorgungs-Strukturen für Prozessoren in Fahrassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) und Infotainment-Systemen insgesamt recht große Ähnlichkeit.

Die Bordnetzspannung von nominell 13,5 V wird über ein Überspannungsschutz-IC an einen Buck-Wandler mit weitem Eingangsspannungsbereich geführt. Dieser wiederum gibt eine Spannung von 5 V oder 3,3 V an mehrere PoL-Wandler ab, die ihrerseits die Abwärtswandlung in die von den Prozessoren benötigten Spannungen übernehmen. In Bild 1 ist diese allgemein verbreitete Architektur zu sehen.

Anpassung an die Systemanforderungen

Eine solche allgemeine Lösung lässt sich einfach an die unterschiedlichsten Systemanforderungen anpassen. Dies kann entweder mit einem integrierten PMIC geschehen, das mehrere Leistungswandler beherbergt, oder mithilfe mehrerer diskreter Wandler mit jeweils einer Ausgangsspannung zur Versorgung der einzelnen Prozessoren.

Der größte Vorteil der diskreten Wandler ist die Flexibilität für den Fall, dass sich die Stromversorgungs-Anforderungen des Systems ändern. Bild 2 zeigt einen typischen Stromversorgungs-Baum des elektronischen Steuergeräts (Electronic Control Unit, ECU) für ein Surround-View-Kamerasystem, in dem mehrere diskrete Abwärtswandler zum Einsatz kommen.

Bei dieser Anordnung ist für jede Versorgungsspannung des System-on-Chip (SoC) ein eigener Buck-Wandler vorhanden. Dies sieht auf den ersten Blick etwas komplexer aus als eine diskrete Lösung.

Man muss hierbei jedoch den Trend berücksichtigen, dass sich der Leistungsbedarf der Prozessoren mit der Zeit immer weiter erhöht.

Hochskalierung mit diskreten Bausteinen

Noch vor wenigen Jahren reichte auf der Haupt-Versorgungsspannung des Prozessorkerns vielleicht ein Strom von nur 4 A aus. Wäre alles andere gleichgeblieben, hätte man sich hier möglicherweise für den LP87524B-Q1 entschieden.

Dieses PMIC besitzt einen 4-A-Ausgang, einen 2,5-A-Ausgang und zwei Ausgänge mit 1,5 A, sodass der gesamte Stromversorgungs-Baum in einem Baustein zusammengefasst ist. Der Haken hieran ist, dass bei einer nachträglichen Anhebung des Leistungsbedarfs auch nur einer Leitung eine grundlegende Änderung des Leiterplattendesigns erforderlich ist.

Dies kann bei diskreten Wandlern nicht passieren, denn hier hätte man dieses Problem einfach lösen können, indem man den 4-A-Baustein TPS57114-Q1 durch den bezüglich des Footprints kompatiblen und für 6 A ausgelegten TPS54618-Q1 ersetzt hätte.

Natürlich werden sich gewisse Modifikationen am Leiterplatten-Layout ergeben, aber man ist nicht gezwungen, den ganzen Stromversorgungs-Baum von Grund auf neu aufzubauen. Unter dem Strich spart man Designzeit, weil die Leitungen mit weniger Ausgangsstrom unberührt bleiben. Bild 3 verdeutlicht die einfache Skalierbarkeit.

Herabskalierung mit diskreten Bausteinen

Umgekehrt kann es passieren, dass man seine Lösung auf eine kostenoptimierte, mit weniger Prozessorleistung auskommende Lösung herabskalieren möchte. Natürlich kann man hier den einfachen Weg gehen und das PMIC unverändert lassen. Allerdings ist es hier nicht möglich, einen ungenutzten Ausgang einfach zu entfernen.

Man bezahlt also weiter (mit echten Kosten und mit Leiterplattenfläche) für einen oder auch mehrere Kanäle, die im System keinerlei Funktion mehr haben. Bei der diskreten Lösung ist die Sache einfacher: Um eine oder mehrere Versorgungsspannungen aus einem bestehenden System zu entfernen, reicht es aus, die Leiterplatte einfach nicht mehr mit den entsprechenden Wandlern zu bestücken. Man bekommt (und nutzt) hier also wirklich nur das, was man auch bezahlt.

PMICs gewinnen dank ihres hohen Integrationsgrads und ihres unkomplizierten Power Sequencings immer mehr an Verbreitung, wenn es um die sekundäre Stromversorgung in ADAS-Anwendungen und Infotainment-Systemen geht.

Sie sind ohne Zweifel hervorragend für diese Anwendungen geeignet, jedoch haben diskrete Gleichspannungswandler ebenfalls ihre Pluspunkte, was die Flexibilität und Skalierbarkeit betrifft. Wenn Sie also das nächste Mal Ihren Werkzeugkasten für ein Stromversorgungs-Design öffnen, achten Sie darauf, dass Ihre verlässlichen Abwärtswandler dabei sind.


 

Der Autor

Kelvin Odom ist Product Marketing Engineer für DC/DC-Wandler in der Power-Management-Gruppe von Texas Instruments. Seinen BSECE erwarb er an der Universität Texas, Austin.