Hilfe bei der Qual der Wahl

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1 Hilfe bei der Qual der Wahl Die große Auswahl an verfügbaren Halbleitern ermöglicht heute sehr unterschiedliche TOPOLOGIEN BEIM DESIGN VON ABWÄRTSWANDLERN. AUTOMOBIL-ELEKTRONIK stellt diese Topologien kurz vor und vergleicht die grundlegenden Vor- bzw. Nachteile der unterschiedlichen Optionen. Bild 1: Topologien für Abwärtswandler Abwärtswandler können über externe oder integrierte Schalter verfügen. Abwärtswandler-Bausteine, die externe Schalter treiben, werden auch als Controller- Bausteine bezeichnet. Vorteile Nachteile Interne(r) Schalter - Geringere Anzahl an Komponenten - Kleinere Lösung für kleine Lastströme - Schutz des Schalters kann integriert werden (z. B. mit Temperaturschutz) - Besseres EMI-Verhalten - Begrenzte Stromstärke - Thermische Grenzen Externe(r) Schalter - Höhere Flexibilität - Strombegrenzung bestimmt durch Wahl eines externen FET - Höhere Anzahl an Komponenten - Schutz des Schalters ist komplexer Höhere Lastströme erfordern größere Schalter. Allerdings ist die Integration von größeren Transistoren teuer, da sie mehr Chipfläche benötigen und gegebenenfalls ein größeres Gehäuse erfordern. Die thermische Verlustleistung kann außerdem ein Problem bei höheren Lastströmen werden. Aus diesem Grund werden Abwärtswandler für größere Lastströme meist mit Controller-Bausteinen und externen Schaltern realisiert. In der Regel haben die meisten Anwendungen mit mehr als 5 A Seite 1 von 6 der Langversion des Beitrags Hilfe bei der Qual der Wahl aus AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2008

2 Laststrom externe Schalter. Für kleinere Lastströme bieten beide Topologien ihre Vorteile. Synchrone und asynchrone Gleichrichtung Abwärtswandler mit nur einem Schalter werden als asynchrone oder nicht-synchrone Gleichrichter bezeichnet, Abwärtswandler mit zwei Schaltern als Synchrongleichrichter. Bei diesen Wandlern ersetzt der zweite Schalter die Freilaufdiode. Bild 2: Synchrone oder asynchrone Gleichrichtung Asynchrone Gleichrichtung Synchrone Gleichrichtung Vorteile - Geringere Kosten - Höherer Wirkungsgrad Nachteile - Geringerer Wirkungsgrad - Höhere Kosten Die synchrone Gleichrichtung erhöht den Wirkungsgrad, da der Spannungsabfall über dem Transistor im Vergleich zur Diode niedriger ist. Für einen hohen Wirkungsgrad ist es wichtig, Transistoren mit einem niedrigen Drain-Source-Widerstand zu wählen. Während der Totzeit (beide Schalter sind aus) leitet die interne Body-Diode des Transistors. Eine externe Schottky-Diode parallel zum Transistor kann den Spannungsabfall in der Totzeit verbessern. Abwärtswandler mit externen Schaltern werden in der Regel auch extern kompensiert. Die externe Kompensation hilft bei der Anpassung des Regelkreises an die ausgewählten Komponenten wie FETs, Spule und Ausgangskondensator. Bei Wandlern mit integrierten Schaltern ist sowohl externe als auch interne Kompensation üblich. Eine integrierte Kompensation vereinfacht die Schaltungsentwicklung und spart Platz auf der Platine. Externe und interne Kompensation Vorteile Interne Kompensation - Einfach einzusetzen - Nur das Ausgangsfilter muss konfiguriert werden - Schnelle Schaltungsentwicklung - Geringere Anzahl an externen Komponenten Externe Kompensation - Höhere Flexibilität - Kompensation kann an das bevorzugte Ausgangsfilter angepasst werden Seite 2 von 6 der Langversion des Beitrags Hilfe bei der Qual der Wahl aus AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2008

3 Nachteile - Platzersparnis auf der Platine - Geringere Flexibilität - Ausgangsfilter muss zur internen Kompensation passen - Schaltungsentwicklung aufwendiger - Höhere Komponentenanzahl Bei den in Bild 1 beschriebenen Topologien gibt es weitere Unterscheidungsmerkmale zum Beispiel bei der Gestaltung des Regelkreises und bei den eingesetzten Schaltern. Stromgesteuerte und spannungsgesteuerte Regelung Der Regler selbst kann mit spannungsgesteuerter oder stromgesteuerter Regelung realisiert werden. Bei der spannungsgesteuerten Regelung liefert die Ausgangsspannung die Hauptrückkopplung für den Regelkreis. Oft wird dabei die Eingangsspannung als zweite Information genutzt (Voltage-Feed-Forward-Konzept), um den Regelkreis schneller auf Eingangsspannungsschwankungen reagieren zu lassen. Bei der stromgesteuerten Regelung liefert die Stromstärke die Hauptrückkopplung für den Regelkreis. Abhängig vom Regelkreis kann dies der Eingangsstrom, der Spulenstrom oder der Ausgangsstrom sein, wobei die Ausgangsspannung den zweiten Regelkreis darstellt. Vorteile Nachteile Stromgesteuerte Regelung - Schnelle Antwortzeiten des Regelkreises auf Eingangsspannungsschwankungen (ohne Zusatzaufwand) - Kompensation des Hauptregelkreises einfacher - Erfordert zusätzliche Kompensation der internen Rampe (slope compensation) - Strommessung erfordert Filter für Schaltstörungen - Strommesswiderstand (Shunt) erzeugt Verlustleistung Spannungsgesteuerte Regelung - Keine zusätzliche Kompensation der internen Rampe (slope compensation) erforderlich - Schnelle Antwortzeiten des Regelkreises möglich ( voltage feed forward -Konzept) - Ohne voltage feed forward - Konzept langsamere Reaktion auf Eingangsspannungsänderungen - Fehlerverstärker hat höhere Anforderungen an die Bandbreite Für die meisten Anwendungen sind Topologien mit stromgesteuerter und spannungsgesteuerter Regelung gleichermaßen geeignet. Die Topologie mit stromgesteuerter Regelung erfordert in vielen Fällen einen zusätzlichen Strommess- Widerstand oder Strommess-Transformator. Topologien mit spannungsgesteuerter Regelung erfordern meist auch einen Strommess-Widerstand, jedoch nicht für den Regelkreis, sondern zur separaten Überstromschutz-Überwachung. Das bedeutet, dass die Anforderungen an den Strommesswiderstand und an die Schaltung im Bauteil Seite 3 von 6 der Langversion des Beitrags Hilfe bei der Qual der Wahl aus AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2008

4 geringer sind. Teils ist es möglich, den Drain-Source-Widerstand des Transistors zur Überstromabschaltung zu verwenden. Schalter: NMOS-FET und PMOS-FET Als Schalter kommen heute häufig MOSFETs zum Einsatz. Abwärtswandler sind mit NMOS-FET- und PMOS-FET-Treibern erhältlich. Zwar ist der NMOS-FET bei gleicher Leistung etwas günstiger als der PMOS-FET, dafür ist der Schaltungsaufwand zur Ansteuerung des Gates komplexer. Bei Einsatz eines NMOS- FETs muss die Gate-Spannung höher als die Eingangsspannung des Bausteins sein. Der Aufwand hierfür erhöht die Kosten auf der Treiberseite, so dass sich der ursprüngliche Kostenvorteil des NMOS-FETs wieder relativiert. Beispiel Die neuen Abwärtswandler der Familien TPS40200 und TPS5410/20/30 sind dafür ausgelegt, die strengen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen. Die Qualifizierung der verfügbaren Bausteine folgt dem AEC-Q100-Standard. Beispiele und Evaluationsmodule finden Sie im Internet auf der Seite von Texas Instruments. TPS40200 Asynchroner Abwärtswandler: Der TPS40200 verfügt über einen integrierten Treiber für einen externen PMOS-FET und einen asynchronen Gleichrichter, während die Kompensation extern und die Regelung spannungsgesteuert (Voltage Feed Forward) erfolgt. Diese Topologie erlaubt die Anpassung des Ausgangsstroms durch Auswahl des externen PMOS-FET. Die integrierte Strombegrenzung schützt den externen PMOS- FET vor Überstrom. Der integrierte PMOS-FET-Treiber ermöglicht eine besonders kostengünstige Lösung für den Baustein. Eine externe Kompensation hilft bei der Anpassung an das gewünschte Ausgangsfilter (Spule und Ausgangskondensator). Dadurch können die Kosten weiter gesenkt und die Effizienz erhöht werden. Bild 3: Abwärtsregler, Eingang 5 bis 50 V, Ausgang 3,3 V / 2 A Seite 4 von 6 der Langversion des Beitrags Hilfe bei der Qual der Wahl aus AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2008

5 Das in Bild 3 gezeigte Regler-Design veranschaulicht die Einsatzmöglichkeiten des TPS Der Abwärtsregler liefert 2 A bei 3,3 V und erreicht mehr als 90% Wirkungsgrad bei 3,3 V (94% bei 5 V). Der Wandler ist als Evaluierungsmodul verfügbar. Zum Paket gehört die vollständige Dokumentation vom Design bis hin zum PCB-Layout. Das Evaluierungsmodul bietet gute Voraussetzungen für die erfolgreiche Entwicklung von Durchflusswandlern mit dem TPS Der TPS40200 bietet wichtige Funktionen für den Automotive-Bereich: - Großer Eingangsspannungsbereich (4 V bis 52 V) - Großer Arbeitstemperaturbereich (T J -40 bis +150 C) - Synchronisierung mit externer Frequenz möglich - Programmierbarer Kurzschlussschutz - Bauteil-Qualifizierung folgt dem AEC Q100-Standard TPS5410/20/30 Asynchrone Abwärtswandler: Der TPS5410/20/30 verfügt über einen integrierten NMOS-FET-Schalter und einen asynchronen Gleichrichter sowie interne Kompensation, während die Regelung spannungsgesteuert (Voltage Feed Forward) erfolgt. Neben dem Ausgangsfilter (Spule und Ausgangskondensator) ist lediglich eine Schottky-Freilaufdiode erforderlich. Die integrierte Kompensation und der integrierte NMOS-FET sind für einen kontinuierlichen Ausgangsstrom von bis zu 1 A beim TPS5410, 2 A beim TPS5420 und bis zu 3 A beim TPS5430 ausgelegt. Dank der integrierten Kompensation und der geringen Anzahl an externen Komponenten ermöglicht der TPS54xx eine schnelle Schaltungsentwicklung und sehr kleine Lösungen auf der Leiterplatte. Bild 4: Abwärtsregler, Eingang 5 bis 36 V, Ausgang 5 V / 1 A Mit Hilfe eines Verfahrens zur Auswahl externer Komponenten für die TPS5410/20/30-Bausteine können Sie den Entwicklungsprozess vereinfachen. Ein entsprechendes Tool (Freeware) finden Sie unter Die TPS5410/20/30-Familie bietet wichtige Funktionen für den Automotive-Bereich. Hierzu gehören ein großer Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 36 V, ein großer Arbeitstemperaturbereich (T J -40 bis +150 C), Kurzschluss-Schutz, eine geringe Zahl an Bauteilen (Kompensation und Netzschalter integriert) sowie die Bauteil- Qualifizierung gemäß dem AEC-Q100-Standard. Seite 5 von 6 der Langversion des Beitrags Hilfe bei der Qual der Wahl aus AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2008

6 Zusammenfassung Die neuen Abwärtswandler- und Controller-Lösungen von Texas Instruments unterstützen Entwickler von Automotive-Anwendungen dabei, innovative Produkte schnell und erfolgreich auf den Markt zu bringen. TI bietet seinen Kunden neben der Zusammenarbeit auch Tools, Service und Support, damit Unternehmen die gesteckten Ziele schneller erreichen können. Die Q100 qualifzierten TPS40200-, TPS5430-, TPS5420- und TPS5410-Abwärtswandler werden dazu beitragen, die Kosten für Fahrzeugelektronik zu senken. Der Autor: Michael Weitz ist System Engineer Mixed Signal Automotive bei Texas Instruments Seite 6 von 6 der Langversion des Beitrags Hilfe bei der Qual der Wahl aus AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2008