Effiziente - Pharma+Food

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.
chaltregler-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
S
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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-
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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
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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
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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-VBatteriespannung
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 IQ für hohe Spannungen und hohen Strom*
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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 SchaltreglerController, der LT1619, kann in diesem
Schaltkreis abhängig von den gewählten
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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
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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 SchaltreglerIC im winzigen MSOP- Bild 3b: Betrieb mit geringem Ruhestrom an Stromversorgungen
Gehäuse, bei dem ein externer mit hoher Spannung
Schalttransistor
verwendet
wird, und der ebenfalls an Eingangsspan- Wandlung der Spannung einer
nungen von bis zu 18V arbeitet. Er kann 14-V-Lichtmaschine
in Buck- oder Buck-Boost-Konfiguratio- Mehrere Schaltregler und Controller bietet eine mittlere Eingangsspannung (30
nen eingesetzt werden.
Bild 4a: Zweiphasen-Doppel-Abwärts-Schaltregler mit geringem IQ.
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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 hinzu-
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Bild 4b: Schutzschaltung
gegen Fehlerbedingungen
in Fahrzeugen
gefügt 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.
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