ROHM Semiconductor Einstufige Spannungswandlung in 48-V-Systemen

Durch ROHMs Nano-Pulse-Control-Technologie erreicht der BD9V100MUF-C das industrieweit größte Abwärtswandlungsverhältnis von 24:1 zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung.
Durch ROHMs Nano-Pulse-Control-Technologie erreicht der BD9V100MUF-C das industrieweit größte Abwärtswandlungsverhältnis von 24:1 zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung.

ROHM Semiconductor hat mit dem BD9V100MUF-C einen Gleichspannungswandler vorgestellt, der aus einer Eingangsspannung von 48 V in einem Schritt eine Ausgangsspannung von minimal 2,5 V erzeugen kann.

Die europäische CO2-Gesetzgebung sah vor, die CO2-Emissionen von neuen PKWs stufenweise bis zum Jahr 2015 auf 120 g/km herabzusetzen und ab dem Jahr 2021 auf 95 g/km zu begrenzen. »75 g/km ab 2025 sind bereits in der Diskussion. Allerdings ist es seit 120 g/km immer schwieriger, die CO2-Emissionen zu reduzieren«, erklärt Bastian Lang, Marketing Manager European Design Center von ROHM Semiconductor.

Von 120 g/km auf 95 g/km entspricht einer CO2-Reduzierung von gut 20 Prozent. Ein Weg, der helfen soll, die Grenzwerte zu erreichen, ist die Elektrifizierung. Strategy Analysis prognostiziert, dass die so genannten Strong HEVs – entspricht etwa einem Prius – bis 2024 relativ stabil in den Stückzahlen bleiben werden. Hingegen sollen die Mild-Hybride mit 48-V-Busspannung in den kommenden Jahren deutlich zulegen und bis 2024 den Großteil der E-Fahrzeuge ausmachen. Und genau auf diesen Fahrzeugtyp zielt ROHM Semiconductor mit seinem neuen Tiefsetzsteller. Lang erklärt die Vorzüge, die mit der 48-V-Technik möglich sind:

  • Regeneratives Bremsen (Rekuperation),
  • Segeln,
  • Effizientere Leistungsverteilung,
  • Höherer Wirkungsgrad,
  • Mechanische Lasten können durch elektrische ersetzt werden.

Dazu kommt aus Langs Sicht noch ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis. Ein Start-Stopp-System ermöglicht eine CO2-Reduzierung unter 5 Prozent, »die Zusatzkosten von weniger als 700 Euro sind allerdings verhältnismäßig günstig«, so Lang weiter. Das Verhältnis zwischen Zusatzkosten und Reduzierung des CO2-Ausstoßes liegt damit bei 140 Euro/1% eingespartes CO2. Bei den Hybridfahrzeugen (Strong HEV) liegen die Zusatzkosten laut Lang zwischen 4000 und 5000 Euro, dafür lassen sich aber auch 20 bis 30 Prozent CO2 einsparen, ergo 166 Euro / 1% eingespartes CO2. Die Plug-In-Hybride kommen auf 200 Euro/1% eingespartes CO2, denn die Zusatzkosten liegen zwischen 6000 und 10.000 Euro, die Einsparung zwischen 40 und 50 Prozent. Das beste Verhältnis weisen die 48-V-Systeme auf, denn sie ermöglichen bis zu 20 Prozent CO2-Reduzierung bei Zusatzkosten von weniger als 1500 Euro.

Das Power-Management in 48-V-Systemen muss aus Langs Sicht folgenden Anforderungen genügen: Aus den 48 V müssen nutzbare Spannungen (zwischen 2,5 bis 5 V) erzeugt werden. Bei Lastabwurf müssen Spannungen bis zu 72 V ausgehalten werden, bis zu 60 V muss das Power-Management noch einwandfrei funktionieren. Es sind hohe Schaltfrequenzen gefordert, um die Baugröße so klein wie möglich zu halten. Darüber hinaus darf die Schaltfrequenz nicht zwischen 500 kHz und 1,9 MHz liegen, weil in dem Bereich die AM-Radiofrequenzen liegen. Dazu kommt noch die typischen Anforderungen der Automobilindustrie, und »es sollte eine einstufige Architektur sein«, so Lang weiter.

All diese Anforderungen wird ROHM mit seinem neuen Buck-Wandler gerecht, und das ging laut Lang nur, weil das Unternehmen an allen Schrauben (Design-, Layout- und Prozessoptimierung) gleichzeitig gedreht hat. Denn um von 48 V auf eine Spannung von 2,5 V, die beispielsweise ein Sensor benötigt, in einem Schritt zu kommen, ist alles andere als trivial. Zum einen muss die MOSFET-Anschaltzeit deutlich gesenkt werden. Mit einer Eingangsspannung von 48 V und der damit verbundenen maximalen Eingangsspannung von 60 V ergibt sich eine maximale Einschaltzeit von 20,8 ns, um bei 2 MHz von 60 auf 2,5 V zu kommen. Diese kleine Einschaltzeit wiederum hat ein schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge. Gleichzeitig erhöhen sich die Störungen aufgrund der höheren Schaltspannungen.

All diese Probleme lassen sich mit der zum Patent angemeldeten Nano-Pulse-Technik lösen, die auch eine neue Regelschleife umfasst. Sie erlaubt eine minimale Einschaltzeit von 9 ns (typisch), der maximal Wert, den ROHM garantiert, liegt bei 20 ns. Zu den technischen Spezifikationen des nur 4,0 x 4,0 x 1,0 mm (B x T x H) großen Gleichspannungswandlers BD9V100MUF-C gehören ein Eingangsspannungsbereich von 16 bis 60 V, Ausgangsspannungen von 0,8 bis 5,5 V mit ±2% Genauigkeit und eine Schaltfrequenz von 1,9 bis 2,3 MHz. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 1 A. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen –40 und +125 °C. Hinzu kommen noch eine thermische Abschaltung und Schutzfunktionen gegen zu hohe Ströme, zu niedrige Spannung und Kurzschluss.

Lang abschließend: »Den Anspruch aus hohem Übersetzungsverhältnis und hoher Schaltfrequenz kann bis dato kein Stromversorgungs-IC bedienen. Eine zweistufige Lösung erfüllt diese Forderungen, sie ist jedoch mit Nachteilen verbunden, zum Beispiel erhöhter Platzbedarf, mehrere Bauteile, komplexeres System etc.«