Infotainment So halten Sie den Standby-Strom von Speichern im Auto niedrig

Autor / Redakteur: David Gilbert * / David Franz

Infotainmentsysteme im Auto sollen beim Start möglichst schnell hochfahren. Doch dazu müssen die Speicher ständig mit Strom versorgt werden – und zwar ohne die Starterbatterie merklich zu belasten.

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Damit Navi & Co. im Auto schnell starten: Die Abwärtsregler der Familie LT8610 versorgen Speicherbausteine höchsteffizient mit Strom.
Damit Navi & Co. im Auto schnell starten: Die Abwärtsregler der Familie LT8610 versorgen Speicherbausteine höchsteffizient mit Strom.
(Bild: Linear Technology)

Beim Laptop oder Smartphone weiß man beim Einschalten, dass Geduld gefragt ist – schließlich erfordert das Booten nun einmal seine Zeit. Im Auto dagegen möchte man sofort Zugriff auf Navigation, Infotainment & Co. haben. Und das funktioniert sogar, denn die Autohersteller fordern von ihren Zulieferern möglichst kurze Start-up-Zeiten. Die lassen sich erreichen, wenn man beispielsweise die DRAMs ständig mit Strom versorgt, und zwar auch wenn die Zündung ausgeschaltet ist.

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Die DDR3-Speicher im Auto arbeiten an 1,5 V mit Spitzenströmen über 2 A – vorzugweise erzeugt mit hocheffizienten DC/DC-Wandlern, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. In diesen Applikationen ist die Effizienz bei leichten Lasten ein wichtiges Kriterium, um die Batterielaufzeit möglichst zu verlängern, wenn das Auto nicht läuft. DDR-Speicher ziehen 1 bis 10 mA aus der 1,5-V-Versorgung im Standby – aber 10 mA sind absolut nicht akzeptabel, wenn das Auto längere Zeit parkt.

Keine Linearregler bei gleichem Ein- und Ausgangsstrom

Linearregler scheiden aus, wenn Eingangs- und Ausgangsstrom gleich sind. Andererseits zieht ein Abwärtsschaltregler weniger Eingangsstrom als er Ausgangsstrom liefert, und zwar im Verhältnis des Übersetzungsverhältnisses:

Iin = 1/η (Vout Iout)/Vin

Mit η als Effizienzfaktor (0 bis 1).

Bild 1 zeigt, dass der synchrone Abwärtsschaltregler LT8610AB bei 1 mA Last eine Effizienz von rund 83% erzielt. Bei einer Batteriespannung von 12 V und einem Laststrom von 1 mA bei 1,5 V liegt der kalkulierte Eingangsstrom bei nur 151 µA.

Direkte DC/DC-Wandlung von 12 auf 1,5 V

Die Bausteine LT8610A und LT8610AB sind monolithische, synchrone Abwärtsschaltregler, die speziell für Automobilsysteme entwickelt wurden. Sie liefern 3,5 A bei einem Ruhestrom von nur 2,5 µA. Die externe Beschaltung ist einfach: Es werden keine zusätzlichen Halbleiter benötigt, nur preiswerte Keramikkondensatoren. Zudem hat das MSOP-Gehäuse leicht zugängliche Anschlüsse, die sich gut löten lassen und eine Inspektion zulassen. Mit einer typischen minimalen On-Zeit von 30 ns (45 ns max. garantiert) kann man einen kompakten Abwärtsschaltregler mit hoher Schaltfrequenz und einem großen Übertragungsverhältnis aufbauen. Bild 2 zeigt eine Applikation, die 3,5 A bei 1,5 V liefert. Die Schaltfrequenz ist zur Optimierung der Effizienz bei 475 kHz und liegt damit unter dem MW-Rundfunkbereich.

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Robustes Design und schnelle Komparatoren

Beide ICs passen gut in die Automotive-Umgebung. Die maximale Eingangsspannung von 42 V beherrscht Lastsprünge. Das robuste Design und schnelle Komparatoren schützen gegen Kurzschluss am Ausgang. Die minimale Eingangsspannung im Worst Case ist 3,4 V, der maximale Tastgrad liegt über 99% und die Dropout-Spannung beträgt typisch 200 mV bei 1 A. Damit bleibt der Ausgang auch beim Kaltstart geregelt. Bild 3 zeigt die minimale Eingangsspannung über der Temperatur.

Lange Batterielaufzeit durch geringen Ripple Burst Mode

LT8610A und LT8610AB wurden für geringste Welligkeit über den gesamten Lastbereich entwickelt. Bei leichten Lasten arbeiten sie dank reduzierter Schaltfrequenz und Burst-Mode-Betrieb hocheffizient. Schnelles Ansprechen auf Transienten wird auch bei sehr geringen Lasten erzielt. Zusammen mit dem niedrigen Ruhestrom von 2,5 µA selbst bei Lastströmen von nur einigen µA erzielen LT8610A und LT8610AB eine höhere Effizienz als ein Linearregler, auch wenn dieser absolut keinen Ruhestrom benötigt. Soll ein Betrieb mit geringer Schaltfrequenz vermieden werden, kann der Burst-Modus durch ein High-Signal oder das Taktsignal am SYNC-Pin ausgeschaltet werden.

LT8610AB mit erhöhter Strombegrenzung im Burst Mode

Der LT8610AB arbeitet bei leichten Lasten effizienter als der LT8610A. Die Gründe sind eine erhöhte Strombegrenzung im Burst Mode, die in jedem Schaltzyklus mehr Energie liefert, sowie eine je nach Last verminderte Schaltfrequenz. Da für das Schalten des MOSFETs eine gewisse Energie vorhanden sein muss, verringert eine reduzierte Schaltfrequenz die Verluste durch die Gate-Ladung, was die Effizienz erhöht.

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Bild 4 zeigt den Unterschied in der Effizienz von LT8610A und LT8610AB. Bei Lasten zwischen 1 und 100 mA erreicht der LT8610AB eine mehr als 10% höhere Effizienz als der LT8610A. Allerdings muss der Ausgangskondensator größer sein, damit der Ausgangsspannungsripple gering bleibt. Bild 5 vergleicht die Ausgangsripple beider ICs als Funktion der Ausgangskapazität und bei zwei verschiedenen Spulenwerten sowie bei 10 mA Last.

Wie sich die Spule auf die Effizienz auswirkt

Zusätzlich zur Strombegrenzung hat die Auswahl der Spule einen Effekt auf die Effizienz und die Schaltfrequenz im Burst-Modus, da für eine feste Strombegrenzung eine große Spule mehr Energie speichern kann als ein kleine. Wenn eine hohe Effizienz bei kleinen Lasten sehr wichtig ist, kann der Spulenwert unter der Größe im Datenblatt ausgewählt werden.

Höhere Schalfrequenz für kompaktere Lösungen

Da die meisten Automotive-Systeme bei 9 bis 16 V Eingangsspannung arbeiten, sind die Schaltungen für diesen Bereich optimiert. Die Lösung in Bild 2 arbeitet bei der Frequenz 475 kHz über den ganzen Eingangsbereich von 3,5 bis 42 V. Wird jedoch die Betriebsspannung auf 16 V festgelegt (wegen der 42-V-Transienten), kann die Schaltfrequenz erhöht und die Größe der Spule reduziert werden. Für die Worst-Case-On-Zeit von minimal 45 ns können LT8610A und LT8610AB auf 2 MHz Schaltfrequenz programmiert werden wie in Bild 6 gezeigt.

Steigt die Eingangsspannung über 16 V, so bleibt der Ausgang weiter geregelt, obwohl die Schaltfrequenz für sicheren Betrieb reduziert wird. Die 2-MHz-Lösung ist identisch mit der Schaltung in Bild 2, mit Ausnahme des RT-Widerstandes, der 18,2 kΩ hat und dem reduziertem Spulenwert, der Platz spart. Bild 7 zeigt die Effizienz über der Last für zwei Spulenwerte.

Wie sich mit dem BIAS-Pin die Effizienz erhöhen lässt

LT8610A und LT8610AB verwenden zwei interne nMOSFETs, die für automotive Applikationen ausgelegt sind. Besonders der Gatetreiber benötigt weniger als 3 V, um die FETS zu schalten. Für die Gatetreiber verfügen LT8610A/AB über interne Linearspannungsregler, deren Ausgang jeweils am INTVCC-Pin liegt (den INTVCC nicht mit Last verbinden!).

Ein wichtiges Merkmal ist, dass der interne Regler einen Strom entweder vom VIN-Pin oder dem BIAS-Pin ziehen kann. Bleibt der BIAS-Pin offen, wird der Gatetreiberstrom von VIN bezogen. Ist die Spannung am BIAS-Pin 3,1 V oder höher, wird der Gatetreiberstrom aus BIAS bezogen. Ist die BIAS-Spannung kleiner als VIN, läuft der interne lineare Regler mit höherem Wirkungsgrad unter Nutzung der geringen Versorgungsspannung, was den Gesamtwirkungsgrad erhöht.

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Je höher die Schaltfrequenz, umso sinnvoller die externe Versorgung des BIAS

Die ermittelte Effizienz in den Bildern 1, 4 und 7 wurde bei offenem BIAS aufgenommen. Stehen nur 1,5 V zur Verfügung, ist es nicht ratsam, den BIAS-Pin zu belegen. Stehen aber 3,3 oder 5 V zur Verfügung, ist der BIAS-Pin zu belegen, selbst wenn diese Versorgung im Standby oder bei ausgeschalteter Zündung nicht anliegt.

Bild 8 zeigt die Effizienz mit und ohne 3,3-V-Versorgung an BIAS. Zur Ermittlung der Gesamteffizienz wurde die Leistung aus der 3,3-V-Versorgung einbezogen und es wurde angenommen, dass diese mit 85% Effizienz vorliegt. Der Vorteil der externen Versorgung des BIAS ist umso größer, je höher die Schaltfrequenz ist, da der Gatetreiberstrom größer ist. Der LT8610A hat mehr Vorteile durch den externen BIAS im Vergleich zum LT8610AB – da beim AB-Typ die Burst-Mode-Strombegrenzung zu einer geringerem Betriebsfrequenz bei gegebener Last führt.

Nicht nur zur Speicherversorgung im Automobil

Der LT8610AB ist ein exzellenter Regler zur Stromversorgung in automobilen Anwendungen, einschließlich der 3,3- und 5-V-Versorgung mit Wirkungsgraden über 90% wie in Bild 9 gezeigt.

Eine wichtige Überlegung in Automotive-Applikationen ist das Verhalten beim Kaltstart- und bei Leerlauf-Transienten, wenn die 12-V-Batteriespannung auf unter 4 V sinkt. Der LT8610AB arbeitet mit Tastraten von 99% und bietet Regelung bis zur niedrigstmöglichen Ausgangsspannung. Bild 10a zeigt die Dropout-Spannung. Es ist die Differenz zwischen VIN und VOUT , wenn die Eingangsspannung in Richtung der vorgesehenen geregelten Ausgangsspannung abnimmt. Der LT8610AB zeigt auch ein exzellentes Start-up- und Dropout-Verhalten, was zu einer berechenbaren und zuverlässigen Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung führt. Bild 10b zeigt die Ausgangsspannung, wenn die Eingangsspannung von 0 auf 10 V steigt und dann zurück auf 0 V fällt.

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ICs mit niedrigem Ruhestrom und hohem Wirkungsgrad

LT8610A und LT8610AB benötigen nur wenige externe Bauteile und eine niedrige Eingangssspannung. Sie haben einen geringen Ruhestrom und einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Lastbereich. Diese Merkmale machen sie zur bevorzugten Lösung – und zwar nicht nur für die Standby-Versorgung von DDR-Speichern im Auto. Die Tabelle fasst die Leistungsmerkmale der LT8610-Familie zusammen.

* David Gilbert ist Associate Design Engineer, Power Products bei der Linear Technology Corp..

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