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Worauf es bei Stromversorgungen für Kfz-Infotainmentsysteme ankommt

| Autor / Redakteur: Markus Zehendner * / Thomas Kuther

Das Infotainmentsystem eines Autos ist eine komplexe Einheit, die in der Regel mehrere Versorgungsspannungen benötigt.
Das Infotainmentsystem eines Autos ist eine komplexe Einheit, die in der Regel mehrere Versorgungsspannungen benötigt. (Bild: Clipdealer)

Moderne Kfz-Infotainmentsysteme stellen hohe Anforderungen an die Stromversorgung. Worauf es dabei ankommt, erfahren Sie hier am Beispiel eines geprüften Power-Management-Referenzdesigns.

Die in heutigen Autos verbauten Infotainmentsysteme haben nur wenig Ähnlichkeit mit den ersten Autoradios, die sehr minimalistisch konzipiert und nichts weiter als eben nur analoge Radios waren. Die Infotainmentsysteme von heute dagegen leisten weit mehr, als nur die Fahrzeuginsassen mit Musik und Nachrichten zu versorgen. Abgesehen vom Abspielen von Musik von Speichermedien wie SD-Karten oder USB-Sticks können die Radios mehrere Frequenzbänder empfangen und dabei sowohl analoge als auch digitale Programme wiedergeben. Darüber hinaus lassen sich heute auch Mobilgeräte per Bluetooth mit dem Infotainmentsystem koppeln, um Musik wiederzugeben oder Telefongespräche zu führen. Damit besteht eine nahtlose Integration zwischen Ihrem persönlichen Gerät und Ihrem Auto.

Zur Standardausstattung moderner Autos gehören inzwischen auch leistungsfähige Navigationssysteme, die mithilfe von GPS und Daten aus dem Internet die schnellste Fahrtroute ermitteln. Allerdings ist die Nutzung der Internetanbindung nicht allein dem Navigationssystem vorbehalten. Einige Fahrzeuge nämlich stellen einen Wi-Fi-Access-Point zur Verfügung, damit die Autoinsassen während der Fahrt im Internet surfen können. Die Zahl der Features und Funktionalitäten wird mit jeder neuen Generation der Infotainmentsysteme größer, aber unverändert bleibt die Tatsache bestehen, dass unter allen Betriebsbedingungen eine stabile und zuverlässige Stromversorgung benötigt wird. Im Mittelpunkt dieses Artikels steht somit auch die baumförmige Stromversorgungsarchitektur, die für den Betrieb eines modernen Infotainmentsystems benötigt wird. Der Beitrag geht auf verschiedene Herausforderungen ein, die sich beim Design einer solchen Applikation ergeben, und stellt ein tatsächlich gebautes und geprüftes Power-Management-Referenzdesign vor.

Die Anforderungen an das Power-Management-System

In einem modernen Infotainmentsystem finden sich mehrere Verbraucher, die mit Strom versorgt werden müssen und meist zwei verschiedene Spannungen benötigen. Das in diesem Artikel besprochene Referenzdesign stellt eine Versorgungsspannung von +3,3 V bei 3,0 A (max. 6,0 A) und eine weitere Spannung von +7,5 V bei 1,5 A (max. 2,5 A) zur Verfügung. Mit der +3,3-V-Leitung lassen sich Verbraucher wie der Tuner oder Mikroprozessoren versorgen – entweder direkt oder über einen zwischengeschalteten Point-of-Load-Wandler (PoL). Die +7,5-V-Leitung dagegen eignet sich unter anderem für die Phantomspeisung des Mikrofons für die Freisprecheinrichtung und die aktive Störgeräuschkompensation, aktive Antennen (FM, AM, GPS, DAB), die Rückfahrkamera und den CD-Spieler.

Zwei Abwärtswandler dienen zur Erzeugung dieser beiden Ausgangsspannungen. Dies funktioniert gut, wenn die Bordnetzspannung unter normalen Bedingungen ungefähr 12,0 V beträgt, besonders aber bei niedrigen Temperaturen, wenn die Bordnetzspannung beim Anlassen des Motors erheblich absinkt (bedingt durch die hohe Stromaufnahme des Anlassers). Da moderne Autos häufig mit Start-/Stopp-Systemen ausgestattet sind, kommt dies nicht nur am Beginn der Fahrt vor, sondern im Stadtverkehr auch danach noch häufig.

Für das Spannungsprofil der Batterie gibt es unterschiedliche Spezifikationen, die teils bis auf 3,2 V hinabgehen. Es versteht sich, dass sich die beiden Ausgangsspannungen nicht aufrechterhalten lassen, wenn ausschließlich Abwärtswandler (Buck Converters) verwendet werden. Vielmehr wird ein vorgeschalteter Aufwärtswandler (Boost Converter) benötigt, damit die Eingangsspannung der Abwärtswandler stets so hoch bleibt, dass die vorgesehenen Ausgangsspannungen erzeugt werden können. Allerdings muss dieser Pre-Boost Converter nur dann aktiv sein, wenn die Bordnetzspannung tatsächlich unter einen bestimmten Wert fällt. In allen anderen Fällen wird die Bordnetzspannung dagegen direkt an die Abwärtswandler geführt.

Rein technisch gesehen können diese beiden Funktionsabschnitte die Stromversorgung für ein Infotainmentsystem sicherstellen. Es ist jedoch noch ein weiterer Block erforderlich, denn jede im Auto eingesetzte Elektronik benötigt einen Verpolungsschutz, um Schäden für den Fall zu verhindern, dass die Autobatterie mit vertauschter Polarität angeschlossen wird. Wegen der relativ hohen Eingangsströme, die angesichts der niedrigen Batteriespannung üblicherweise auftreten, wäre eine schlichte Diode eine ineffiziente Lösung. Besser ist dagegen die Verwendung eines intelligenten Dioden-Controllers, der mithilfe eines FET das Verhalten einer idealen Diode emuliert und so die Verluste und Spannungsabfälle klein hält. Dieser Block wird direkt mit dem Bordnetz verbunden und mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter kombiniert, um die von den nachfolgenden geschalteten Stromversorgungen verursachten Störgrößen zu reduzieren.

Aufbau des Referenzdesigns im Detail

Das Blockschaltbild des Referenzdesigns (Bild 1) lässt erkennen, dass alle im vorigen Abschnitt beschriebenen Anforderungen erfüllt werden. Der Smart Diode Controller LM74700-Q1 emuliert mithilfe eines N-FET eine ideale Diode. Die Verwendung eines N-FET hat hauptsächlich den Vorteil, dass auf dem Markt eine größere Vielzahl kostengünstigerer FETs angeboten wird. Nachteilig gegenüber einer Lösung auf P-FET-Basis ist dagegen, dass zum Einschalten des FET eine Spannung benötigt wird, die größer ist als die Eingangsspannung. Aus diesem Grund ist in den LM74700-Q1 eine hocheffiziente Ladungspumpenschaltung integriert, die diese Spannung zum Ansteuern des N-FET-Gate erzeugt. Wird der Controller mithilfe des Enable-Eingangs abgeschaltet, reduziert sich die Stromaufnahme auf nur 3 µA. Wichtig ist der Hinweis auf die Tatsache, dass die Body-Diode des FET auch nach Deaktivierung des Controllers leitend bleibt, da nur die interne Schaltung des Bausteins deaktiviert wird.

Das Tiefpassfilter reduziert die differenziellen Störgrößen, die durch die nachfolgenden geschalteten Stromversorgungen erzeugt werden. Das Filter ist als PI-Filter realisiert, dessen Eckfrequenz etwa ein Zehntel der Schaltfrequenz der geschalteten Stromversorgungen beträgt. Dies führt zu einer theoretischen Verringerung der Welligkeit um etwa 40 dB. In Wirklichkeit ist dieser Wert jedoch kleiner, was auf die Kapazität zwischen den Wicklungen der Induktivität und weitere parasitäre Elemente auf der Leiterplatte zurückzuführen ist.

Wie bereits erwähnt, kann die Bordnetzspannung beim Anlassen des Motors erheblich einbrechen – besonders bei niedrigen Temperaturen. Um auch in diesem Fall die Stromversorgung für das Infotainmentsystem aufrecht zu erhalten, kommt der erwähnte Pre-Boost Converter zum Einsatz, der den beiden Abwärtswandlern in jedem Fall eine genügend hohe Eingangsspannung zur Verfügung stellt. Damit der vorgeschaltete Aufwärtswandler kleiner und kostengünstiger realisiert werden kann, werden während des Anlassens bestimmte Verbraucher (z.B. die Audioverstärker) abgeschaltet. Die Ausgangsleistung des Pre-Boost-Wandlers kann aus diesem Grund deutlich niedriger gewählt werden als die Gesamtausgangsleistung der Stromversorgungsarchitektur für das Infotainmentsystem.

Im vorliegenden Design muss der Pre-Boost-Wandler lediglich etwa 40 % der regulären Leistung der beiden Ausgänge unterstützen. Die Ausgangsspannung des Boost Controllers LM5150-Q1 kann auf 6,8, 7,5, 8,5 oder 10,5 V eingestellt werden. In diesem Design wurden 10,5 V gewählt, um genügend Spielraum für die Eingänge der Abwärtswandler zu haben. Der Baustein ist für Pre-Boost-Anwendungen optimiert und läuft deshalb schnell an, sobald die Bordnetzspannung unter die programmierte Ausgangsspannung fällt.

Die Bilder 2 und 3 geben die 10,5-V-Ausgangsspannung des Boost-Wandlers bei 1,5 A Laststrom wieder, wenn der Start-Testimpuls Volkswagen E-11 (severe) angelegt wird. Zwar reagiert der Aufwärtswandler schnell, aber dennoch bricht die Ausgangsspannung auf etwas über 6,0 V ein, bevor sie sich regeneriert (siehe Bild 2 mit 5 ms/div.). Der Grund dafür ist, dass in diesem Design aus Zuverlässigkeitsgründen nur Keramikkondensatoren zum Einsatz kommen. Die vier 10-µF-Keramikkondensatoren (50 V, X7R, 1210) am Ausgang des Aufwärtswandlers bzw. den Eingängen der Abwärtswandler können für bestimmte Anwendungen zu klein dimensioniert sein, jedoch muss die +7,5-V-Leitung in diesem Fall während des Anlassens nicht gestützt werden, sodass ein relativ starkes Einbrechen der Spannung am Eingang der Abwärtswandler hinnehmbar ist. Sollte dagegen ein deutlicher Rückgang der Ausgangsspannung nicht tolerierbar sein, wird eine höhere Ausgangskapazität benötigt.

Gut geeignet für Anwendungen dieser Art sind Hybridkondensatoren, die sich durch hohe Kapazität, eine hohe Beständigkeit gegen Welligkeitsströme und einen niedrigen ESR-Wert auszeichnen. Wählt man eine Ausgangskapazität im Bereich von einigen hundert Mikrofarad, wird der Spannungseinbruch unter ungünstigsten Umständen auf nur wenige hundert Millivolt verringert.

Bild 3 gibt nicht nur den kritischen Beginn des Prüfimpulses wieder, sondern auch das sinusförmige Profil der Bordnetzspannung, sobald sich der Anlasser zu drehen beginnt. Die Ausgangsspannung wird ohne jegliche Störungen auf 10,5 V geregelt.

Solange die Bordnetzspannung größer als 10,5 V ist, kann der Aufwärtswandler nicht schalten. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Induktivität und die Diode des Boost-Wandlers zu umgehen, um die Leitungsverluste zu verringern. In dem vorliegenden Design wird der Status-Pin des LM5150-Q1 genutzt, um einen parallel zur Induktivität und Diode des Boost-Wandlers liegenden P-FET anzusteuern. Dieser Pin liegt auf Low-Status, während der Baustein nicht schaltet, und kann daher direkt zum Ansteuern eines P-FET-Gate verwendet werden. Während der Boost-Wandler schaltet, wechselt dieser Open-Drain-Ausgang in den High-Status, und die Spannung am Schaltknoten wird zum Erzeugen einer Spannung genutzt, die den P-FET abschaltet.

Die beiden finalen Ausgangsspannungen werden mit dem LM5140-Q1 erzeugt. Die Schaltfrequenz dieses zweikanaligen, stromgeregelten, synchronen Abwärtswandlers kann auf 440 kHz oder 2,2 MHz eingestellt werden. Um die Schaltverluste niedrig zu halten und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, fiel für dieses Referenzdesign die Wahl auf 440 kHz. Zur präzisen Erfassung des Stroms und für den Überspannungsschutz dient ein mit der Induktivität in Serie geschalteter Shunt-Widerstand. Die Überstromschwelle kann auf 48 oder 73 mV (typ.) eingestellt werden, um die im Shunt entstehenden Verluste zu minimieren.

Der Controller bietet die Möglichkeit, den Abwärtswandler im Forced-PWM-Modus zu betreiben, was für ein optimales Einschwingverhalten sorgt, aber im Gegenzug den Wirkungsgrad bei kleiner Last beeinträchtigt. Ist der Diode-Emulation-Mode aktiviert, wird bei niedriger Last deutlich mehr Effizienz erzielt. Um den Gesamtplatzbedarf des Designs zu minimieren, kommt ein schnell schaltender 60-V-Doppel-N-FET mit niedrigem Einschaltwiderstand vom Typ Vishay SJQ260EP im PowerPAK-SO-8L-Gehäuse zum Einsatz. Bei moderaten Gehäusemaßen ist so für eine gute Wärmeableitfläche gesorgt, um die Verlustwärme auf die Leiterplatte zu verteilen.

Wichtig für eine kompakte Lösung ist auch die Wahl geeigneter Induktivitäten. Die Wahl fiel dabei deshalb auf die Serie VCHA054T von Cyntec mit Maßen von nur 5,4 mm x 5,2 mm x 3,8 mm. Das Verbundmaterial erzeugt zwar höhere Kernverluste als Ferrit, bietet jedoch kleinere Maßen und einen höheren Sättigungsstrom, was für gepulste Lasten von Bedeutung ist. Als Kondensatoren werden ausschließlich Keramikausführungen verwendet, um hohe Zuverlässigkeit und eine niedrige Bauhöhe zu gewährleisten. Aufgrund der großen Wandlerbandbreite von 30 bis 40 kHz bei einer Schaltfrequenz 440 kHz reichen Kondensatoren von 3 x 47 µF (10 V, X7R, 1210) für den +3,3-V-Ausgang und 2 x 22 µF (16 V, X7R, 1210) für den +7,5-V-Ausgang aus.

Das Aufmacherbild zeigt eine Ansicht des kompletten Designs. Bei der Montage nahezu aller Bauteile auf der Oberseite der Leiterplatte betragen die Gesamtmaßen nur 42 mm x 51 mm. Die Unterseite ist lediglich mit den beiden Feedback-Spannungsteilern des zweikanaligen Abwärtswandlers bestückt.

Komplette Stromversorgung für moderne Infotainmentsysteme

Das Infotainmentsystem eines Autos ist eine komplexe Einheit, die in der Regel mehrere Versorgungsspannungen benötigt. Diese Spannungen müssen ununterbrochen verfügbar sein, damit ein stabiler Betrieb ohne Unterbrechungen gewährleistet ist. Das Anlassen des Fahrmotors an einem kalten Tag lässt jedoch die Bordnetzspannung gravierend einbrechen, was zu einem Abschalten des Infotainmentsystems führen kann. Die Stromversorgungsarchitektur für das Infotainmentsystem muss deshalb mehr enthalten als nur die zwei Abwärtswandler zum Bereitstellen der benötigten Versorgungsspannungen. Der vorliegende Beitrag beschreibt eine komplette Stromversorgungslösung für ein modernes Infotainmentsystem, bestehend aus einem aktiven Verpolungsschutz, einem vorgeschalteten Aufwärtswandler und einem synchronen, zweikanaligen Abwärtswandler zur Erzeugung der beiden erforderlichen Ausgangsspannungen. Sämtliche Informationen zu diesem Design (Schaltplan, Stückliste, Layout, Prüfbericht und Designdateien) stehen auf der TI-Website zur Verfügung.

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* Markus Zehendner ist Systems Applications Engineer in der EMEA Power Supply Design Services Group von Texas Instruments in Freising.

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