Effiziente. Spannungswandlung

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1 THEMA Bauelemente MIT HOHEM WIRKUNGSGRAD UND GERINGEM RUHESTROM Effiziente Spannungswandlung Neue 42-V-Systeme, Lasten für hohe Spannungen, immer eingeschaltete Systeme und vorgegebene Ziele für den Kraftstoffverbrauch erfordern eine effiziente DC/DC-Spannungswandlung bei geringstmöglichem Stromverbrauch. Diese Anforderungen können mit aktuellen Bauelementen eingehalten werden. Eine Vielzahl von Schaltregler-ICs ermöglicht zudem eine optimale Auswahl entsprechend der jeweiligen Systemanforderungen. Schaltregler-ICs führen eine Spannungswandlung mit sehr hohem Wirkungsgrad durch, in manchen Anwendungen mit bis zu 98%. Neben der Abwärtswandlung ermöglichen Schaltregler auch eine Spannungserhöhung auf eine Ausgangsspannung, die über der Eingangsspannung liegt, und können auch eine geregelte Ausgangsspannung liefern, die innerhalb eines Eingangsspannungsbereichs liegt. So kann z.b. aus einer Eingangsspannung, die zwischen 5 V und 20 V liegt, eine konstante Ausgangsspannung von 12 V erzeugt werden. Schaltregler, die im Fahrzeug eingesetzt werden, müssen die Spannungsspitzen der Lichtmaschine aushalten und dabei selbst DER AUTOR Daniel Shockey arbeitet seit zwei Jahren bei Linear Technology. Seine Erfahrungen im Fahrzeug-Engineering hat er bei Delco Electronics gesammelt. einen sehr geringen Stromverbrauch haben, während sie einen kleinen Strom für immer eingeschaltete Systeme liefern. Mit der steigenden Anzahl von Systemen, die bei ausgeschalteter Zündung eingeschaltet bleiben, ist die Stromentnahme dieser Schaltkreise aus der Batterie ein wichtiger Punkt. Und mit der steigenden Belastung des elektrischen Systems des Fahrzeugs und dessen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch ist der Stromverbrauch auch bei laufendem Motor zu beachten. Die Herausforderungen für Schaltregeler im Fahrzeug sind oftmals widersprüchlich: ICs, die die hohen Spannungen im Automobil aushalten, haben eine hohe Stromaufnahme und sind vom Preis nicht akzep- 46

2 Bauelemente THEMA tabel. ICs mit geringem Ruhestrom führen nicht zum besten Wirkungsgrad bei höheren Lastströmen. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen zwar kleinere Bauelemente und eine einfachere Filterung elektromagnetischer Störungen, führen aber zu einem geringeren Wirkungsgrad. Hohe Verhältnisse von Eingangs- zu Ausgangsspannung, wie z.b. 42 V auf 3 V, vergrößern außerdem die bei den Reglern auftretenden Probleme. Die folgenden Beispiele sollen Verfahren und ICs veranschaulichen, die eingesetzt werden, um in Fahrzeugsystemen einen sehr geringen Ruhestrom zu erzielen, der in vielen Fällen unter 100 µa liegen kann. Wandlung der Spannung einer 42-V-Lichtmaschine Schaltkreise, die direkt an der Ausgangsspannung einer 42-V-Lichtmaschine arbeiten, müssen Spannungen von fast 60 V aushalten und für die Abwärtswandlung auf geringe Spannungen mit sehr kleinen Tastverhältnissen arbeiten. Der LT1676 von Linear Technology beispielsweise, der einen Laststrom von 500 ma liefern kann, wurde eigens dafür entwickelt. Im Vergleich zu Micropower-Schaltreglern beträgt sein Ruhestrom ohne Last etwa 4 ma. Durch Einsatz eines getrennten Komparators und eines Referenz-ICs (Bild 1) kann jedoch ein Burst-Mode-Betrieb implementiert werden. Der Regler wird ein- und ausgeschaltet, wie es für die Ausgangsspannung erforderlich ist. Der Ruhestrom kann somit auf unter 100 µa verringert werden, und der Wirkungsgrad bleibt auch bei sehr geringen Lasten hoch. Im Shutdown benötigt der LT1676 weniger als 50 µa. Über einen Mikroprozessor oder ein Bussignal kann der Schaltregler ohne zusätzliche Bauelemente aus dem Shutdown-Modus gebracht werden und zwar innerhalb von 50 µs. Wenn der Prozessor die Ausgangsspannung überwacht und sie innerhalb eines 47

3 THEMA Bauelemente Bild 1: Burst-Mode-Betrieb für einen geringen Ruhestrom bei kleinen Lasten, maximale Eingangsspannung 60 V Spannungsfensters hält, ist die Einschaltzeit sogar noch kürzer. Ein weiterer Schaltregler, der LTC1766, der ähnlich wie der LT1676 eine Eingangsspannung von 60 V verträgt, verfügt über einen internen 1,5-A-Schalttransistor. Der Ruhestrom des Reglers liegt bei ca. 4 ma. Um einen Ruhestrom unter 100 µa zu erreichen, kann das Bauelement im Burst Mode eingesetzt werden, wie erläutert. Der Schaltregler-Controller LTC1149 (Tabelle 1) schließlich liefert geregelte Ausgangsströme von bis zu 5 A bei einem Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 60 V und einem Ruhestrom von 600 µa. Wandlung der 12-V- Batteriespannung Der LTC1474 (Bild 2) ist für den Einsatz in Systemen gedacht, die ge- * Externe MOSFETs für den benötigten Strom auswählen Über Anschluss einstellbar Tabelle 1: Schaltregler mit kleinem I Q für hohe Spannungen und hohen Strom* 48

4 gen große Spannungen geschützt werden müssen. Dieser CMOS-Schaltregler enthält einen internen Schalttransistor, der 320 ma liefern kann und arbeitet mit Eingangsspannungen von bis zu 18 V. Dieses Bauelement im MSOP-Gehäuse arbeitet entweder im Abwärts-(Buck)-Modus mit geringen Dropout oder im Buck-Boost-Modus. Damit ein Schaltregler für geringe Spannungen Spannungssprünge und Spannungsspitzen der Lichtmaschinen-Spannung übersteht, fügt man eine Zenerdiode D3 und einen Transistor Q1 hinzu, wie in Bild 3a gezeigt. Der gezeigte Schaltregler- Controller, der LT1619, kann in diesem Schaltkreis abhängig von den gewählten MOSFETs mit einer Eingangsspannung von 28 V oder mehr eingesetzt werden, obwohl die maximale Eingangsspannung am IC 18 V beträgt. Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductance Converter), der gewählt wurde, um eine geregelte Ausgangsspannung zu liefern, die innerhalb des Eingangsspannungsbereichs liegt. Es wird sichergestellt, dass bei einer Eingangsspannung, die von 4 V beim Kaltstart bis zu 28 V reicht, die Ausgangsspannung immer 5 V beträgt. Der Ruhestrom durch die Zenerdiode addiert sich jedoch mit ungefähr 1 ma zum Ruhestrom des ICs von 140 µa. Um einen Gesamt-Ruhestrom Bild 2: Abwärts-Schaltregler mit sehr geringem Ruhestrom 49

5 THEMA Bauelemente Bild 3a: Eingang 4-28 V, Ausgang 5 V/0,5 A, nicht isolierte Stromversorgung von ungefähr 100 µa zu erreichen, können die Zenerdiode und der Transistor durch den in Bild 3b gezeigten Schaltkreis ersetzt werden. Um einen größeren Ausgangsstrom zu erzeilen, setzt man einen größeren FET ein. Für einen Ausgangsstrom von bis zu 5A und einen Ruhestrom von nach wie vor nur 10µA eignet sich der Controller LTC1771, ein Schaltregler- IC im winzigen MSOP- Gehäuse, bei dem ein externer Schalttransistor verwendet wird, und der ebenfalls an Eingangsspannungen von bis zu 18V arbeitet. Er kann in Buck- oder Buck-Boost-Konfigurationen eingesetzt werden. Bild 3b: Betrieb mit geringem Ruhestrom an Stromversorgungen mit hoher Spannung Wandlung der Spannung einer 14-V-Lichtmaschine Mehrere Schaltregler und Controller bietet eine mittlere Eingangsspannung (30 Bild 4a: Zweiphasen-Doppel-Abwärts-Schaltregler mit geringem IQ. 50

6 V bis 36 V) und einen Ruhestrom im Bereich von 200 µa bis 600 µa (Tabelle 1). Wo 30 V bis 36 V ausreichen, wie es bei vielen Anwendungen in Fahrzeugen der Fall ist, bieten diese Regler eine hohe Leistungsfähigkeit, geringe Abmessungen und einen hohen Wirkungsgrad. Sie haben eine geringe Dropout-Spannung, so dass eine geregelte Ausgangsspannung von 5 V aus einer Eingangsspannung von 5,3 V erzeugt werden kann, was für Kaltstart-Anforderungen oft ausreicht. Der LTC1628, eine Doppelversion des LTC1735, ist in Bild 4a gezeigt. Die beiden Ausgänge arbeiten um 180 phasenverschoben, um die Welligkeit des Eingangsstroms, die erforderliche Eingangskapazität und die elektromagnetischen Störungen (EMI) stark zu verringern. Diese Anwendung ist durch den 30-V-MOSFET BVDSS auf 28 V begrenzt. Eingangsspannungen von bis zu 36 V können erreicht werden, indem MOSFETs mit höherer Spannung verwendet werden. Der gesamte Ruhestrom für beide Regler beträgt 350 µa. Eine in Reihe geschaltete Diode und eine Zenerdiode (Bild 4b) können am Eingang hinzugefügt werden, um diese Schaltkreise vor Lastabwürfen und anderen Störungen auf der Stromversorgung eines Fahrzeugs zu schützen. Die Seriendiode verhindert einen Stromfluss bei Umkehrung der Batteriespannung, während die Zenerdiode zur Unterdrückung von Spannungsspitzen bei Lastabfällen dient. Weitere Informationen zu Schaltregler für den Fahrzeugeinsatz erhalten Sie über die Kennziffer. 356 Bild 4b: Schutzschaltung gegen Fehlerbedingungen in Fahrzeugen 51