Applikation: Automobilelektronik - All
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Spezielle Spannungswandler-ICs für das Überleben in unwirtlichen Automotive-Umgebungen Jeff Gruetter Product Marketing Engineer Linear Technology Corporation Einführung In Kraftfahrzeugen finden sich von Jahr zu Jahr immer komplexere Elektroniksysteme, die Komfort, Sicherheit und Leistung gleichermaßen maximieren und schädliche Abgase minimieren sollen. Strategy Analytics, ein Marktforschungsunternehmen bietet hierzu eine interessante Perspektive: Heute machen die elektronischen Systeme mehr als 22 % der Gesamtkosten eines durchschnittlichen Autos aus, aber diese Zahl wird bis 2009 auf über 33 % ansteigen. Elektronische Systeme dieser Art sind u.a. Infotainment-Systeme (Telematik), Sicherheitssysteme, Motormanagement, Satellitenfunk und -fernsehen, LEDBeleuchtung, Bluetooth sowie sonstige kabellose Systeme sowie Rückfahrkameras. Noch vor fünf Jahren waren solche Systeme nur im höchsten Segment europäischer Luxuswagen zu finden, aber sie werden inzwischen immer häufiger auch von allen Herstellern in Mittelklassewagen integriert, was die Verbreitung von ICs im Fahrzeugsektor noch weiter beschleunigt. Eine der Hauptanwendungen für Elektronik im Auto ist das Motormanagement. Jedes Jahr werden die weltweiten Abgasvorschriften rigoroser und die Autos sollen sparsamer im Verbrauch werden. Andererseits verlangen die Kunden aber gleichzeitig immer leistungsfähigere Autos. Bislang schlossen sich diese beiden Anforderungen gegenseitig aus, aber die Einführung „intelligenter“ Motormanagementsysteme, einer Unzahl von Sensoren und einer Reihe von DSPs ermöglichen den Autoherstellern eine Steigerung der Effizienz ihrer Motoren, die gleichzeitig sauberer laufen. Elektronische Systeme führen zu ähnlich revolutionären Neuerungen in den Bereichen Sicherheit, Klimatisierung, Beleuchtung, Navigation, drahtlose Konnektivität sowie Chassis-Kontrollsysteme. Gemeinsam verbessern diese neuen Systeme Sicherheit, Leistung und Komfort für den Fahrer und sorgen für eine sauberere Umwelt für uns alle. In dem Maße, in dem die Anzahl der elektronischen Komponenten in solchen AutomotiveSystemen zunimmt, nimmt der verfügbare Platz ab, was die elektronische Dichte dieser Systeme erheblich erhöht. All diese Systeme benötigen Spannungswandler-ICs, normalerweise mit Versorgungsschienen für mehrere Spannungen für jedes Subsystem. Früher wurde die Mehrzahl dieser Spannungswandlungen mit analogen Spannungsreglern erledigt, da es auf Effizienz und kompakte Bauweise nicht vorrangig ankam. Aber da die Leistungsdichte inzwischen rapide zugenommen hat und viele Anwendungen auch bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen funktionieren müssen, ist eine Ausstattung mit entsprechend großen Kühlkörpern aus Platzgründen in der Praxis kaum mehr möglich. Wegen dieser hohen Anforderungen hinsichtlich Platzbedarf und Betriebstemperaturbereich ist die Effizienz der Spannungswandlung zu einem entscheidenden Aspekt geworden. Bei niedrigen Ausgangsspannungen und selbst bei geringem Strombedarf von wenigen Hundert Milliampere ist es nicht länger praktikabel, zur Spannungsregelung einfach einen analogen Regler einzusetzen, da dieser zu viel Wärme erzeugt. Aufgrund dieser thermischen Seite 1 von 8 Jeff Gruetter, Power PME Beschränkungen werden immer mehr analoge Regler durch digitale Schaltregler ersetzt. Die Vorteile von Schaltreglern wie z.B. die höhere Effizienz und die kompaktere Bauweise, überwiegen dabei gegenüber dem zusätzlichen Entwicklungsaufwand und Überlegungen hinsichtlich elektromagnetischer Störungen (EMI). „Dauerbetrieb“-Systeme erfordern extrem niedrige Ruheströme (IQ < 100 A) Viele elektronische Subsysteme müssen im „Stand-by“- oder „Keep-alive“-Modus laufen, wobei sie in diesem Zustand nur minimale Ruheströme ziehen dürfen. Solche Schaltungen finden sich in den meisten Spannungsreglern für Navigations-, Sicherheits- und Motormanagementsysteme. Jedes dieser Subsysteme kann mehrere Mikroprozessoren und Mikrocontroller verwenden. In den meisten Luxuslimousinen finden sich zwischen 60 und 100 dieser DSPs und zwischen 10 und 20 % davon arbeiten in zwei unterschiedlichen Modi: Wenn das Auto in Betrieb ist, wird die Stromversorgung für diese DSPs normalerweise den vollen Laststrom liefern, der von der Autobatterie und dem Ladesystem gespeist wird. Doch wenn die Zündung des Autos abgeschaltet ist, müssen diese Mikroprozessoren dennoch „aktiv“ bleiben. Daher müssen die entsprechenden Spannungswandler-ICs eine konstante Spannung liefern und möglichst wenig Strom von der Batterie ziehen (< 100 A). Da bis zu 20 dieser „Dauerbetrieb“-Prozessoren für Navigation, Sicherheit, Klimaanlage und Motormanagementsysteme erforderlich sind, wird die Batterie doch erheblich belastet, selbst wenn die Zündung ausgeschaltet ist. Denn insgesamt können schon mehrere Hundert Milliampere (mA) an Versorgungsstrom zusammenkommen, um diese „Dauerbetrieb“-Prozessoren mit Strom zu versorgen, wodurch eine Batterie innerhalb weniger Tage völlig entleert sein kann. Wenn ein Abwärtswandler für hohe Spannungen in einem Fahrzeug einen Versorgungsstrom von 2 bis 10 mA benötigt, kann die Kombination von 20 solcher Wandler aus Sicherheits-, GPSund schlüssellosen Zugangssystemen mit anderen notwendigen Dauerbetriebsystemen wie ABS-Bremsen und Leckströmen der elektronisch betätigten Fensterheber nach einer längeren Geschäftsreise von zwei bis drei Wochen die Batterie vollständig entleeren, so dass der Motor sich nicht mehr starten lässt. Daher müssen die Ruheströme dieser Spannungsversorgungen drastisch reduziert werden, um die Batterielebensdauer zu verlängern, ohne die Abmessungen oder die Komplexität der elektronischen Systeme zu vergrößern. Bis vor kurzem schlossen sich die Forderungen nach hohen Eingangsspannungen und geringen Ruheströmen bei Gleichspannungswandler-ICs noch gegenseitig aus. Um diesen Anforderungen besser gerecht zu werden, haben sich mehrere Automobilhersteller als Richtwert auf einen Ruhestrom von 100 A für jeden „Dauerbetrieb“-Gleichspannungswandler geeinigt. Bis vor kurzem waren die SystemHersteller noch gezwungen, einen LDO-Spannungsregler mit geringem Ruhestrom parallel zu einem Abwärtswandler zu schalten, um bei jedem Abschalten des Fahrzeugs von diesem Wandler auf einen LDO-Spannungsregler mit viel geringerem Strom umzuschalten. Dies führte zu teuren, sperrigen und ziemlich ineffizienten Lösungen. Die von Linear Technology angebotene Familie von Gleichspannungsabwärtswandlern für Eingangsspannungen von 36 bis 60 V und mit einem Ruhestrom von weniger als 100 A zeigt Tabelle 1. So kann der LT3680 z.B. einen Ausgangsstrom von bis zu 3,5 A aus Eingangsspannungen bis zu 36 V liefern, wobei er einen Ruhestrom von nur 75 A aufweist. All diese Funktionen stehen in einem bedrahteten, thermisch verbesserten MSOPSeite 2 von 8 Jeff Gruetter, Power PME 10E-Gehäuse oder einem 3 x 3 mm großen DFN-Gehäuse zur Verfügung, was eine wesentlich kompaktere und effizientere Lösung des Dauerbetriebproblems darstellt. Tabelle 1: Hochspannungsschaltregler von Linear Technology mit niedrigem Ruhestrom Part No LT3437 LT3433 LT1976/7 LT3480 Device Architecture Step-Down Regulator Buck-Boost Regulator Step-Down Regulator Step-Down Regulator VIN Range 3.3V to 80V 4V to 60V 3.3V to 60V 3.6 to 38V, 60VMAX IOUT (A) 0.40 0.40 1.25 2.00 Frequency 200kHz 200kHZ 200/500kHZ 200kHz to 2.4MHz IQ 100µA 100µA 100µA 70µA Package DFN-10 TSSOP-16E TSSOP-16E 3x3 DFN-10, MSOP-10E LT3481 Step-Down Regulator 3.6 to 34V, 36VMAX 2.00 300kHz to 2.8MHz 50µA 3x3 DFN-10, MSOP-10E LT3681 LT3434/5 LT3680 Step-Down Regulator Step-Down Regulator Step-Down Regulator 3.6 to 34V, 36VMAX 3.3V to 60V 3.6V to 36V 2.00 2.50 3.50 300kHz to 2.8MHz 200/500kHZ 200kHz to 2.4MHz 50µA 100µA 75µA 3x4 DFN-14 TSSOP-16E 3x3 DFN-10, MSOP-10E Herausforderungen an die Elektronik: Plötzlicher Lastwegfall und Kaltstart Ein plötzlicher Lastwegfall („Load-Dump“) tritt auf, wenn die Batteriekabel abgetrennt werden, während die Lichtmaschine die Batterie auflädt. Dies kann passieren, wenn ein Batteriekabel beim Betrieb des Fahrzeugs lose ist oder während der Fahrt bricht. Eine solche abrupte Unterbrechung des Batteriekabels kann zu Überspannungsspitzen von bis zu 60 V führen, da die Lichtmaschine versucht, eine Vollladung einer gar nicht vorhandenen Batterie zu erreichen (Abbildungen 1 und 2 zeigen eine grafische Darstellung dieser 36- und 60-V-Spannungsspitzen). Transzorb-Dioden an der Lichtmaschine halten die Busspannung normalerweise zwischen 36 und 60 V, wobei sie den Großteil des Spitzenstroms aufnehmen. Die Gleichspannungswandler, die der Lichtmaschine nachgeschaltet sind, sind dagegen den 36- bis 60-V-Überspannungsspitzen ausgesetzt. Da diese Wandler aber diese Überspannungsspitzen nicht nur überstehen, sondern in einigen Fällen währenddessen auch noch eine geregelte Ausgangsspannung liefern sollen, ist es wichtig, dass sie diesen zeitweise hohen Spannungen standhalten. Hierfür können verschiedene externe Schutzschaltungen (meist Transzorb-Dioden) verwendet werden, die allerdings die Kosten und den Platzbedarf erhöhen. Kaltstartbedingungen („Cold Crank“) liegen vor, wenn der Motor eines Fahrzeugs über längere Zeit niedrigen Temperaturen bzw. Frost ausgesetzt wird. Das Motoröl wird dann sehr zähflüssig, weshalb der Anlassermotor ein höheres Drehmoment aufwenden muss und folglich mehr Strom von der Batterie benötigt. Auf Grund dieses hohen Stromverbrauchs kann die Spannung am Batterie-/Primärbus im Moment der Zündung bis auf 4 V absinken, um anschließend wieder bis zum Nominalwert von 12 V zurückzukehren (siehe Abbildung 1). Für einige Systeme wie Motorsteuerung, Sicherheits- und Navigationssysteme ist es allerdings auch bei einem Kaltstart unbedingt wichtig, eine exakt geregelte Ausgangsspannung zu erhalten (normalerweise 3,3 V) um ordnungsgemäß funktionieren zu können. Seite 3 von 8 Jeff Gruetter, Power PME Abbildung 1: 36-V-Spannungsspitze bei Lastwegfall und Kaltstartbedingungen Abbildung 2: 60-V-Spannungsspitze bei Lastwegfall und Kaltstartbedingungen Verfügbare Lösungen Je nach erforderlichem Ausgangsstrom und Überspannungsschutz bietet Linear Technology eine Reihe von Schaltreglern, die sowohl bei Lastwegfall als auch unter Kaltstartbedingungen funktionsfähig bleiben und weniger als 100 A Ruhestrom erfordern (siehe Tabelle 1). Ein Beispiel hierfür ist der LT3480, ein Abwärtsschaltregler, der 2 A bei Eingangsspannungen bis 38 V liefert und mit Eingangsspannungsspitzen bis zu 60 V zurechtkommt. Sein Burst Mode®-Betrieb sorgt dafür, dass sein Ruhestrom im Stand-byBetrieb unter 70 A bleibt. Seite 4 von 8 Jeff Gruetter, Power PME Der Eingangsspannungsbereich des LT3480 von 3,6 bis 38 V sowie sein Überspannungsschutz bis zu 60 V machen ihn ideal geeignet für den Einsatz in Automotive-Anwendungen bei Lastwegfall oder Kaltstart. In Abbildung 1 regelt der LT3480 eine 3,3-V-Ausgangsspannung auch bei einer 36-V-Spannungsspitze. In Abbildung 2 schaltet sich der LT3480 bei mehr als 41,5 V ab, um sich selber und die nachfolgenden Bauelemente zu schützen. Wenn die Spannungsspitze unter 38 V sinkt, nimmt der LT3480 die Spannungsregelung wieder auf. Sein interner 3-A-Schalter kann bis zu 2 A kontinuierlichen Ausgangsstrom liefern, und das bei so niedrigen Spannungen wie 0,79 V. Er benötigt nur wenige externe Bauteile und bietet einen Wirkungsgrad von bis zu 90 % (siehe Abbildung 3). Der Burst Mode-Betrieb des LT3480 sorgt für einen Ruhestrom ohne Last von nur 70 µA (siehe Abbildung 4), was besonders für Anwendungen wie Automotive- oder Telekommunikationssysteme geeignet ist, die gleichzeitig Dauerbetrieb und eine optimale Batterielebensdauer verlangen. Die Schaltfrequenz ist vom Benutzer zwischen 200 kHz und 2,4 MHz programmierbar, wodurch der Entwickler für eine optimale Effizienz sorgen und gleichzeitig kritische, rauschempfindliche Frequenzbänder vermeiden kann. Die Verbindung aus kompaktem DFN-10-Gehäuse (3 x 3 mm) oder thermisch verbessertem MSOP-10E-Gehäuse mit der hohen Schaltfrequenz sorgt dafür, dass externe Induktoren und Kondensatoren klein bleiben, was eine äußerst kompakte und thermisch effiziente Bauform garantiert. Der LT3480 verwendet ein hochgradig effizientes Schaltelement (3 A, 0,25 ), bei dem erforderliche Aufwärtswandlerdiode, Oszillator, Regel- und Logikschaltungen auf einen einzigen Die integriert sind. Der Betrieb im Burst Mode mit geringer Restwelligkeit sorgt für eine hohe Effizienz auch bei niedrigen Ausgangsströmen, während die Ausgangswelligkeit unter 15 mVPK-PK bleibt. Spezielle Designtechniken sowie ein neues Hochspannungsfertigungsverfahren ermöglichen eine hohe Effizienz über einen breiten Bereich von Eingangsspannungen, während die Current Mode-Topologie für eine schnelle Transienten-Reaktion und exzellente Stabilität der Regelschleife sorgt. Zu den weiteren Leistungsmerkmalen gehören externe Synchronisierung (von 250 kHz bis 2 MHz), ein „Power-good“-Flag sowie Softstart-Fähigkeiten. Abbildung 3: LT3480 – Schaltbild und Wirkungsgradkurve Seite 5 von 8 Jeff Gruetter, Power PME Abbildung 4: LT3480 – Ruhestrom ohne Last gegen Eingangsspannung Thermische Herausforderungen in einer Automotive-Umgebung Neben der unwirtlichen elektrischen Umgebung in Kraftfahrzeugen kann die wärmetechnische Umgebung gleichermaßen eine Herausforderung darstellen. Da immer mehr Elektronik auf engstem Raum im Auto untergebracht wird, wird das thermische Management zu einem entscheidenden Faktor. Bei Einsätzen im Motorraum treten typischerweise Umgebungstemperaturen von 125 °C oder mehr auf, und die Hauptelektronik (wie das Navigations-/Infotainmentsystem und Messsonden) ist im Hinblick auf die Temperatur hohen Belastungen ausgesetzt, da sie nahe am Brandspant des Fahrzeugs mit hohen Umgebungstemperaturen sitzt und eine sehr hohe Elektronikdichte aufweist. Jede Elektronik strahlt elektrische Energie in Form von Wärme ab. Der Schlüssel dafür, die Wärmeentwicklung in Spannungswandlern in den Griff zu bekommen, liegt in der Maximierung des Wirkungsgrades des einzelnen Wandlers bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverlustes durch Wärmeabgabe. Dies war einer der Hauptgründe für den Ersatz von LDOs durch Schaltregler in den vergangenen Jahren. Neben dem Wirkungsgrad der einzelnen Bauelemente ist es ebenfalls wichtig, dass jeder Spannungswandler über ein thermisch möglichst effizientes Gehäuse verfügt, um die Wärme besser vom IC ableiten zu können. Linear Technology erreicht dieses Ziel durch den Einbau von Automobilkomponenten in die thermisch wirkungsvollsten verfügbaren Gehäuse. Flache Gehäuse wie DFNs sowie MSOP- und TSSOP-Gehäuse verwenden alle eine thermisch fortschrittliche Konstruktion, mit einem Wärmeleitpad an der Unterseite des Gehäuses, das den Wärmewiderstand um mehr als den Faktor 2 gegenüber normalen Gehäusen verringert. Um auch anspruchsvollsten Hochtemperaturanwendungen, wie dem Einbau im Motorraum, gerecht werden zu können, bietet Linear Technology eine Familie von Spannungswandlern der Einstufung „H“ an, die bei Grenzschichttemperaturen von 140 oder 150 °C – abhängig von der Komponente – arbeiten können (siehe Tabelle 2). Eine umfassende Auflistung dieser Wandler zeigt die folgende Tabelle 3. Umwandlungstopologien beinhalten LDOs, monolithische Hochspannungs-Schaltregler und Controller. Ein Beispiel: Bei einer Anwendung mit nominal 12 V Eingangsspannung, die auf 5 V regelt und gleichzeitig 1,5 A Ausgangsstrom liefert, bietet ein LDO einen Wirkungsgrad von nur 41 % und vergeudet 10,5 W an Energie, was eine erhebliche Wärmeableitung erfordert, um Seite 6 von 8 Jeff Gruetter, Power PME einen Ausfall aufgrund von Überhitzung schon bei 80 °C zu verhindern. Umgekehrt würde ein Schaltregler wie der LT3508 in Abbildung 5 mit einem Wirkungsgrad von 89 % arbeiten und nur 0,8 W nach außen abstrahlen. Bei einem Wärmeleitwert von 40 °C/W des TSSOP-16E-Gehäuses bedeutete dies eine Temperaturerhöhung von 32 °C. Damit würde eine Umgebungstemperatur von 93 °C für ein Gerät mit einer Einstufung für den Industrieeinsatz (125 °C) und von 108 °C für ein Gerät mit der Einstufung „H“ möglich. Abbildung 5: LT3508 – 12 V Eingangsspannung (nominal) und Ausgangsspannungen von 5 und 3,3 V sowie der sich ergebende Wirkungsgrad Seite 7 von 8 Jeff Gruetter, Power PME Tabelle 2: Spannungsregler mit Einstufung „H“ Part Number LT3010H/-5 LT3012/3H VIN Range 3V to 80V 4V to 80V Output Current 50mA 250mA LT3470H 4V to 40V 300mA LT3437H 3.3V to 60V, 80V Transients 500mA LT1933H 3.6V to 36V 600mA LT1766H 5.5V to 60V 1.25A LT1976H 3.3V to 60V 1.25A LT1936H 3.6V to 36V 1.4A LT3508 3.7V to 36V 2x 1.4A 6V to 72V 3A LTC1772H 2.5V to 9.8V 5A LTC1871H 2.5V to 36V 10A LTC3731H 4.5V to 36V 60A LTC3803H-5 Topology LDO LDO Buck Converter Buck Converter Buck Converter Buck Converter Buck Converter Buck Converter Dual Buck Converter FlyBack Controller TJ(MAX) ˚C 140 150 Package MSOP-8E DFN-12 150 2x3 DFN-8 140 3x3 DFN-10, TSSOP-16E 150 2x3 DFN-6 140 TSSOP-16E 140 TSSOP-16E 150 MSOP-8E 140 4x4 QFN-24, TSSOP-16E 150 ThinSOT Buck Controller 140 ThinSOT 150 MSOP-10 140 SSOP-36 FlyBack Controller Sync Buck Controller Fazit Das schnelle Wachstum hochspezialisierter elektronischer Subsysteme in Kraftfahrzeugen hat strenge Leistungsanforderungen für Spannungsversorgungs-ICs bei AutomotiveAnwendungen mit sich gebracht. Je nach der Position der Spannungswandler im Stromversorgungs-Bus des Fahrzeugs können sie Lastwegfall- und Kaltstartsituationen sowie hohen Umgebungstemperaturen unterworfen sein. Zusätzlich arbeiten einige dieser Systeme in einem Stand-by-Modus, der einen minimalen Versorgungsstrom erfordert. Da bei allen Fahrzeugen immer mehr elektronische Systeme hinzukommen, ist neben kompakten Bauformen auch eine Maximierung des thermischen Wirkungsgrades entscheidend. Glücklicherweise haben einige Hersteller von Spannungsversorgungs-ICs Lösungen zum Erfüllen dieser Anforderungen entwickelt, so dass der Weg für noch mehr Elektronik in künftigen Kraftfahrzeugen geebnet ist. Seite 8 von 8 Jeff Gruetter, Power PME
