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Kfz-Bordelektronik – Wie sich Spannungssprünge bei integrierten Buck-Boost-Wandlern beheben lassen

| Autor / Redakteur: Youhao Xi* / Benjamin Kirchbeck

Die Spannung des Bordnetzes bricht beim Kaltstart auf weniger als 3V ein. Wie lässt sich dieses Problem beheben?
Die Spannung des Bordnetzes bricht beim Kaltstart auf weniger als 3V ein. Wie lässt sich dieses Problem beheben? (Bild: TI)

In diesem Beitrag werden typische Gleichspannungswandler-Lösungen verglichen und die Vorteile integrierter Buck-Boost-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich untersucht.

Die Bordelektronik und Gateway-Module von Kraftfahrzeugen müssen unbeeinflusst von Schwankungen im Bordnetz ohne Unterbrechung einsatzbereit sein. Problematisch ist hierbei, dass die Spannung des Bordnetzes bei Kaltstarts auf weniger als 3 V einbrechen und andererseits bei Lastabwürfen auf bis zu 40 V ansteigen kann. Ein Gleichspannungswandler muss daher die Eingangsspannung entweder je nach Situation herab- oder heraufsetzen, um eine geregelte Ausgangsspannung von 5 V oder 12 V bereitzustellen.

Abgesehen davon sollten Gleichspannungswandler möglichst kompakt sein, um Platz zu sparen, eine geringe Ruhestromaufnahme aufweisen, um die Fahrzeugbatterie möglichst wenig zu entladen und mit einer Schaltfrequenz von 2 MHz arbeiten, damit die Erzeugung von Störgrößen im AM-Band vermieden wird.

Konventionelle Lösungen

Um die erforderliche geregelte Spannung von 5 V oder 12 V zu erzeugen, sollte der verwendete Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung von den bei Kaltstarts möglichen 3 V hochsetzen und sie aber auch entsprechend verringern können, wenn die Eingangsspannung höher als die benötigte Ausgangsspannung ist. Die Bilder 1 bis 4 zeigen in vereinfachter Form die Architekturen konventioneller Lösungen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Schaltbildern die Gleichrichter als Dioden dargestellt. Diese können jedoch zur Steigerung der Umwandlungs-Effizienz durch Leistungs-MOSFETs ersetzt werden.

In Bild 1 und 2 sind unkomplizierte und schnelle Lösungen zu sehen, die durch Kaskadieren zweier Wandlerstufen (Buck- und Boost-Wandler) entstanden sind. Stehen der Aufwärts- und der Abwärtswandler bereits als fertige Designs zur Verfügung, lässt sich mit diesem Konzept die Entwicklungszeit reduzieren. Der Hauptnachteil dieser Methode ist allerdings der geringe Wirkungsgrad infolge der verwendeten zwei Wandlerstufen. Selbst wenn jede der beiden Stufen auf 90 % Wirkungsgrad kommt, ist die Gesamteffizienz gleich dem Produkt beider Wirkungsgrade (81 %).

Ein weiterer Minuspunkt ist in dem vergleichsweise höheren Bauteileaufwand und den größeren Lösungsabmessungen zu sehen – schließlich werden zwei Leistungsdrosseln, zwei Controller und mehr Peripherie-Bauteile benötigt, sodass einige Funktionen möglicherweise in beiden Controllern und damit doppelt vorhanden sind.

Bild 3 zeigt einen SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary-Inductor Converter), der einstufig ist, aber dennoch zwei Induktivitäten benötigt. Hier kann zwar eine gekoppelte Induktivität anstelle zweier separater Drosseln verwendet werden, aber erstere kostet zweifellos mehr als letztere. Höhere Materialkosten ergeben sich außerdem durch den von der SEPIC-Topologie benötigten AC-Koppelkondensator.

Bei der Schaltung in Bild 4 schließlich handelt es sich um einen Auf-Abwärtswandler (Buck-Boost Converter), der ebenfalls einstufig ist und mit nur einer Leistungsdrossel auskommt. Die Verwendung eines nicht-synchronen Gleichrichters geht allerdings zu Lasten des Wirkungsgrads.

Verbessern lässt sich der Wirkungsgrad, wenn – wie in Bild 5 geschehen – Synchrongleichrichter verwendet werden, allerdings führen die vier externen MOSFETs zu einem Anstieg der Materialkosten. Weitere Herausforderungen ergeben sich durch das komplexere Leiterplatten-Layout und das Routing der Leistungs-Bauteile im Interesse einer optimalen Performance.

Hochintegrierte Buck-Boost-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich

Ein Buck-Boost-Wandler, bei dem alle vier Leistungs-MOSFETs in den Controller integriert sind, vermeidet die Nachteile konventioneller Lösungen. In Bild 6 ist das vereinfachte Blockschaltbild eines solchen integrierten Buck-Boost-Wandlers zu sehen. Typische Produkte sind der TPIC74100-Q1, der TPS55060-Q1 und die kürzlich vorgestellte Familie TPS5516x-Q1 von TI. Bei minimalen Lösungsabmessungen unterstützen diese Produkte einen Laststrom von maximal 1 A.

Bild 7 zeigt eine typische Lösung mit dem TPS55165-Q1 für Anwendungen mit 5 V und 1 A. Die komplette Lösung kommt mit weniger als einem Dutzend externer Bauelemente aus. Die Abmessungen der miniaturisierten Lösung gehen aus Bild 8 hervor. Die integrierte Schaltung allein misst 6,5 mm x 4,5 mm. Bei beidseitiger Bestückung wäre sogar eine weitere Größenreduzierung möglich. Das Verhalten der Schaltung bei einem Kaltstart ist in Bild 9 illustriert. Wie man sieht, wird die Ausgangsspannung auch bei eingangsseitigen Spannungssprüngen auf konstant 5 V geregelt.

Fazit

Buck-Boost-Wandler mit vier Schaltern sind optimal für Automotive-Anwendungen geeignet, da sie aus einer einzigen Wandlerstufe bestehen und mit nur einer Induktivität und einer geringen Zahl an externen Bauelementen auskommen. Mit 2,2 MHz Schaltfrequenz, einer geringen Ruhestromaufnahme von 15 µA, optimaler Spread-Spectrum-Technik und minimalen Lösungsabmessungen eignet sich die hochintegrierte Familie TPS5516x-Q1 dank ihres großen Eingangsspannungsbereichs hervorragend für Steuerungs- und Gatewaymodule in Kraftfahrzeugen.

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* Youhao Xi ist Applications Engineer bei Texas Instruments.

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