Power-Management

Synchroner Buck/Boost-Regler mit 97% Wirkungsgrad

| Redakteur: Gerd Kucera

Versorgt zwei Bordnetze: Der bidirektionale DC/DC-Abwärts-/Aufwärtsregler hat eine programmierbare Ausgangsstrom-Überwachung und -Regelung.
Versorgt zwei Bordnetze: Der bidirektionale DC/DC-Abwärts-/Aufwärtsregler hat eine programmierbare Ausgangsstrom-Überwachung und -Regelung. (Bild: Linear Technology)

Zum Einsatz im Kfz mit zwei Batterien (48-V- und 12-V-Bordnetz), etwa bei Hybrid-Elektro- und Mild-Hybrid-Fahrzeugen, sorgt der Synchron-Abwärts-/Aufwärtsregler für eine erhöhte Ausgangsleistung.

Wegen der ständig zunehmenden Anzahl elektronischer Geräte im Automobil stoßen aktuelle 12-V-Bordnetze an ihre Leistungsgrenze von 3 kW. Der kürzlich vorgeschlagene neue Standard LV148 kombiniert das herkömmliche 12-V-Bordnetz mit einem zusätzlichen 48-V-Bordnetz. Das 48-V-Netz umfasst einen riemengetriebenen oder integrierten Startergenerator (BSG, Belt Starter Generator bzw. ISG, Integrated Starter Generator), eine 48-V-Lithium-Ionen-Akku und einen bidirektionalen Gleichspannungswandler, der aus den kombinierten 48- und 12-V-Batterien bis zu 10 kW Leistung herausholt. Diese Technologie ist sowohl für herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor als auch für Hybrid-Elektro- und Mild-Hybrid-Fahrzeuge vorgesehen, die in immer größeren Stückzahlen auf den Markt kommen.

Laut Halbleiterhersteller ist von zentraler Bedeutung, einen Teil der Fahrzeugelektrik mit 48 V zu betreiben, wenn es darum geht, die verfügbare Energie zu erhöhen. Außerdem verringern sich dadurch das Gewicht der Kabelbäume und die kabelbedingten Leistungsverluste.

Ein 12-phasiges Design bis 3 kW ist möglich

Der LTC3871 unterstützt die bidirektionale DC/DC-Regelung und das bidirektionale Batterieladen für beide Bordnetze (12 und 48 V). Der Controller arbeitet im Abwärtsreglermodus vom 48-V-Netz ins 12-V-Netz, oder umgekehrt im Aufwärtsreglermodus vom 12- ins 48-V-Netz. Der jeweilige Modus wird über ein Steuersignal gewählt. Bis zu 12 Phasen können parallelgeschaltet und gegeneinander versetzt getaktet werden, um die Anforderungen an die Eingangs- und Ausgangsfilter in Hochstromanwendungen (bis 250 A) zu verringern. Die Current-Mode-Architektur des Controllers gewährleistet im Parallelschaltungsbetrieb eine hohe Phasengenauigkeit. Ein 12-phasiges Design kann sowohl im Abwärts- als auch Aufwärtsmodus eine Ausgangsleistung von bis zu 3 kW liefern.

Beim Anlassen des Motors oder bei erhöhtem Leistungsbedarf kann der LTC3871 Energie aus beiden Batterien liefern, indem er Energie von einem Bordnetz in das andere umsetzt. In der Regel wird das 12-V-Netz weiterhin die Zündung, die Beleuchtung sowie die Infotainment- und Audio-Systeme versorgen. Das 48-V-Netz wird Systeme wie Fahrgestellregelung, Servolenkung, Klimaanlage, elektrische Turbolader und regenerative Bremsanlagen versorgen. Bis zu 97% Wirkungsgrad sind erreichbar, und der chip-interne Stromregelkreis begrenzt den Strom in beiden Richtungen auf den zulässigen Maximalwert. Vier Regelkreise (jeweils zwei für Strom und für Spannung) sorgen für die Strom- und Spannungsregelung in dem 48- oder 12-V-Bordnetz.

Der LTC3871 arbeitet mit einer wählbaren Schaltfrequenz zwischen 60 und 460 kHz und kann über den gleichen Frequenzbereich hinweg mit einem externen Taktsignal synchronisiert werden. Bei geringer Ausgangslast ist es möglich, zwischen erzwungen-kontinuierlichem oder Pulse-Skipping-Betrieb zu wählen. Weitere Leistungsmerkmale und Besonderheiten sind: Überlastungs- und Kurzschlussschutz, individuelle Regelkreiskompensation für den Abwärts- und Aufwärtsmodus, EXTVCC für erhöhten Wirkungsgrad, ±1% Spannungsregelgenauigkeit über den vollen Temperaturbereich sowie Unter- und Überspannungsabschaltung. Der LTC3871 ist AEC-Q100-qualifiziert und eigensicher nach ISO-26262.

Der IC besitzt ein thermisch optimiertes, 48-poliges LQFP-Gehäuse. Es gibt ihn für den erweiterten und den industriellen Sperrschichttemperaturbereich (–40 bis +125 °C) sowie in einer Hochtemperaturversion für den Automotive-Sperrschichttemperaturbereich.

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