Abwärtswandler Worauf es bei Schaltreglern in Automotive-Anwendungen ankommt

Autor / Redakteur: Thorsten Horak, Jens Hedrich * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

In modernen Autos finden sich immer mehr Schaltregler. Am Beispiel eines automotive-qualifizierten Abwärstreglers erläutern die Autoren, welche Anforderungen sie konkret erfüllen müssen.

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Der MPQ4560: für den automotive-qualifizierten Abwärtswandler gibt es ein eigenes Evaluation-Board
Der MPQ4560: für den automotive-qualifizierten Abwärtswandler gibt es ein eigenes Evaluation-Board
(Bild: Mololithic Power Systems)

In heutigen automotiven Anwendungen gewinnen Schaltregler zunehmend an Bedeutung, jedoch müssen sie eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen, um einen kompromissarmen sowie wirtschaftlichen Einsatz zu gewährleisten.

Zu den Schlüsselparametern zählen u.a. ein weiter Eingangsspannungsbereich, der Ruhe- bzw. Shutdown-Strom, die Schaltfrequenz, die Effizienz über dem Lastbereich, die Komponenten- bzw. Lösungsgröße sowie weitere implementierte Schutzfunktionen für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb. Im Folgenden werden anhand des Abwärtswandlers MPQ4560 (Iout = 2 A; AEC-Q100-G1 qualifiziert) einige dieser Aspekte exemplarisch genauer erläutert.

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Abwärtswandler mit einstellbarer Schaltfrequenz bis 2 MHz

Der MPQ4560 ist ein Abwärtswandler mit einstellbarer Schaltfrequenz bis 2 MHz. Dies erlaubt es, Systementwicklern den optimalen Kompromiss zwischen Lösungsgröße, Effizienz sowie kritischem EMV-Störspektrum zu finden und auf die jeweilige Anwendung anzupassen.

Einsetzbar in 12-V-Pkw-und 24-V-Lkw-Bordnetzen

Der weite Eingangsspannungsbereich von ca. 3,8 bis 55 V (max. 60 V) erlaubt darüber hinaus eine Automotive-Anwendung für 12-V-Pkw-Bordnetze und zudem in 24-V-Lkw-Applikationen.

Standardmäßig ohne externe Bootstrap-Diode betreibbar

In der Standardkonfiguration lässt sich der MPQ4560 ohne externe Bootstrap-Diode betreiben, da im IC bereits ein LDO- sowie eine interne BST-Diode enthalten sind. Dennoch kann es für Anwendungsfälle wie Leichtlast-Betrieb oder auch den Kaltstart sinnvoll sein, eine externe Diode (z.B. BAT54) zusätzlich einzusetzen (siehe Bild 1).

Hierbei liefert diese Diode einen höheren Ladestrom für C5 und gewährleistet somit eine ausreichend hohe Versorgungsspannung für den internen Gate-Treiber des N-MOS-Schalttransistors. Für Ausgangsspannungen im Bereich von 3 bis 6 V kann zudem diese Diode (D3) aus dem eigenen Regler-Ausgang versorgt werden.

Am Beispiel eines Eingangsspannungseinbruchs von 12 auf 3,5 V zeigt sich die unterstützende Wirkung dieser einfachen Maßnahme in Bild 2: während die Ausgangsspannung ohne BST-Diode einbricht, bleibt sie mit BST-Diode stabil. Der Regler kann auch noch mit einer kleinen Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang von 250 bis 300 mV arbeiten, ohne dass das Systemverhalten der nachfolgenden Schaltung dabei beeinträchtigt wird.

Verhalten im Falle eines Ausgangskurzschlusses

Durch das Frequency-Foldback auf etwa 1/10 der programmierten Schaltfrequenz beträgt die Anstiegszeit des Spulenstroms bzw. On-Zeit des Schalttransistors im Kurzschlussfall etwa 600 ns und ist somit deutlich größer als die Minimum-On-Time. Zusätzlich wird bei einem „harten“ Kurzschluss mit Hilfe des Current-Foldback auf 50% des Peak-Stromes die Verlustleistung reduziert. Beide Maßnahmen ermöglichen einen sicheren und zuverlässigen Betrieb (Bild 3).

Schaltregler erfordern ein sorgfältiges Schaltungslayout

Schaltregler sind breitbandige Störquellen, deren Störausbreitung im System durch passende Filtermaßnahmen und ein sorgfältiges Schaltungslayout verhindert werden muss. Im Fall des Abwärtswandlers ist besonders der Eingangskreis kritisch, der aus den beiden Schaltelementen und dem Eingangskondensator besteht (siehe Schaltbild in Bild 4).

Hier wird in Richtung der Speisungsleitung meist ein 2-stufiger Filter benötigt. Im Beispiel des MPQ4560-EMV-Testboards besteht dieser Filter aus einem Ferrit in Kombination mit 22-nF- + 100-nF-Kondensatoren für die hochfrequenten Störungen sowie einer 10-µH-Spule mit 2 Kondensatoren mit je 2,2 µF für die Grundfrequenz und die ersten Oberwellen. Die Dimensionierung dieses LF-Filters hängt von der Schaltfrequenz und der erforderlichen Dämpfung ab. Keramik-Kondensatoren sind durch ihre geringen ESR- und ESL-Werte ideal. Bei der Platzierung der Filterspule muss eine magnetische Kopplung mit der Hauptinduktivität verhindert werden – es sollten magnetisch geschirmte Spulen eingesetzt werden.

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