Welchen Trends folgen die Leistungshalbleiter in der Automobilelektronik?

Der Markt für Automobilelektronik ist ein Endmarkt, auf den sich Linear Technology stark fokussiert. Dieses Marktsegment ist im letzten Fiskaljahr mit insgesamt 20 Prozent gewachsen und damit seit längerem schneller, als der Gesamtumsatz der Firma. Ein Großteil der Innovation und der Unterscheidungsmerkmale in der Automobilindustrie haben ihren Ursprung in der Fahrzeugelektronik. Der Bedarf für eine erhöhte Sicherheit, geringeren Kraftstoffverbrauch und erhöhten Komfort stellen signifikante Marktpotenziale dar. Das rasche Aufkommen von hybriden und voll elektrischen Fahrzeugen wird den Bedarf nach innovativen analogen Halbleiterprodukten weiter vorantreiben. Zusätzlich zum steigenden Einsatz von Fahrzeugelektronik wird auch erwartet, dass der zugrunde liegende Automobilmarkt ebenfalls ständig zulegt.

Es gibt viele Applikationen für Elektroniksysteme im Automobil, die kontinuierlich Versorgungsstrom benötigen, selbst dann, wenn das Auto geparkt ist, wie z.B. der schlüssellose Zugang (Keyless Entry), Sicherheitsfunktionen und sogar die persönlichen Infotainmentsysteme, die üblicherweise Navigation, GPS-Positionserfassung und E-call-Funktionen mit einschließen. Es ist vielleicht schwer zu verstehen, warum diese Systeme eingeschaltet bleiben müssen, selbst wenn das Fahrzeug abgestellt ist, aber der GPS-Teil dieses Systems muss aus Notfall- und Sicherheitsgründen „immer eingeschaltet“ sein. Dies ist eine notwendige Anforderung, damit von extern eine rudimentäre Kontrolle ausgeführt werden kann, sollte dies nötig sein. Eine Schlüsselanforderung an diese Applikationen ist ein sehr geringer Ruhestrom, um die Betriebsdauer der Batterie zu verlängern. Dazu hat Linear Technology Schaltregler mit Ruheströmen von unter 5µA hergestellt. Das Ergebnis ist, dass diese Produkte gut dafür geeignet sind, dass sie von den Herstellern von Automobilelektronik eingesetzt werden.

Tony Armstrong, Director of Product Marketing Power Products; © Linear Technology Corporation

In den meisten Automobilumgebungen ersetzen üblicherweise Schaltregler die Linearregler in Bereichen in denen eine geringe Verlustwärme und ein hoher Wirkungsgrad besonders wichtig sind. Darüber hinaus ist der Schaltregler typischerweise die erste aktive Komponente in der Leitung der Eingangsstromversorgung und hat deshalb einen signifikanten Einfluss auf das EMI-Verhalten des gesamten Produktdesigns. Es werden häufig Filter verwendet, um die EMI zu reduzieren, indem man ihre Stärke bei einer bestimmten Frequenz oder über einen Frequenzbereich dämpft. Ein Teil dieser Energie, die durch die Luft wandert (abstrahlt) wird mit metallischen oder magnetischen Abschirmungen abgeschwächt. Der Teil, der über Leiterplattenbahnen übertragen wird (geleitet) wird durch Hinzufügen von Ferritperlen oder anderen Filtern gezähmt. Die EMI kann nicht eliminiert, aber auf einen Pegel abgeschwächt werden, der für andere Kommunikations-, Signalverarbeitungs- und digitale Komponenten akzeptabel ist.

Der Elektronikanteil in Fahrzeugen wird weiter anwachsen, unabhängig davon, wie viele Autos jedes Jahr neu verkauft werden. Und der Übergang auf hybride und voll-elektrische Fahrzeuge beflügelt diesen Markt weiter. Mit der steigenden Popularität, Batterien als Stromquellen einzusetzen, gibt es einen ebenso großen Bedarf, ihre nutzbare Lebensdauer zu maximieren. Die Unausgewogenheit von Batterien, d.h. eine Fehlanpassung des Ladungszustands einzelner Zellen, die eine Batterie bilden, ist ein Problem bei großen Lithium-Ionen-Batterien mit vielen Zellen und wird von Änderungen im Herstellungsprozess und der Betriebsbedingungen sowie der Alterung der Batterie verursacht. Diese Unausgewogenheit kann die gesamte Kapazität der Batterie reduzieren und sie sogar potenziell zerstören. Die Unausgewogenheit verhindert auch, dass die Batterie vom geladenen in den ungeladenen Zustand nachgeführt wird und, wenn nicht streng überwacht, kann sie dazu führen, dass Batterien überladen oder tiefentladen werden, was die Batteriezellen auf Dauer schädigt.

Die Batteriezellen, mit denen die Batterien aufgebaut sind, die in hybriden und voll elektrischen Fahrzeugen verwendet werden, werden von den Batterieherstellern nach ihrer Kapazität und internem Widerstand sortiert, um Unterschiede zwischen den Zellen einer bestimmten Charge, die an den Kunden ausgeliefert wird, zu reduzieren. Die Fahrzeugbatterien werden dann mit mehreren, sorgfältig ausgewählten Batterien aufgebaut, um den Abgleich von Zelle zu Zelle in der Batterie insgesamt zu verbessern. Dies sollte theoretisch das Auftreten von großen Unausgewogenheiten in der Batterie vermeiden, aber dennoch ist es allgemeiner Konsens, wenn man große Batterien mit vielen Zellen aufbaut, sind sowohl die Überwachung als auch der Abgleich der Zellen nötig, um eine hohe Batteriekapazität über die gesamte Lebenszeit der Batterie aufrecht zu erhalten. Speziell in diesem Bereich sind die neuen Produktfamilien von Batteriemanagementsystem-ICs von Linear Technology gut von den Anwendern angenommen worden und sind derzeit unter den wenigen BMS-Produkten die bereits in Autos und Bussen eingebaut und auf den Strassen unterwegs sind.

Worin liegt die Innovation der Power-ICs in diesem Segment?

Da der Automobilmarkt ein Schlüsselmarkt für Linear Technology ist, haben wir entschieden, sehr viele Entwicklungsressourcen darauf zu konzentrieren, Produkte zu entwickeln, die die Probleme lösen, die in meiner vorherigen Antwort beschrieben wurden.

Die altbewährte Methode, EMI-Probleme zu lösen, ist der Einsatz eines abschirmenden Gehäuses für die komplette Schaltung, aber selbst dann verhindert die Abschirmung nicht das Einkoppeln in empfindliche Schaltungen innerhalb des Gehäuses. Natürlich erhöht dies die Kosten, verkleinert die benötigte Leiterplattenfläche und erschwert das Wärmemanagement und Testen und führt zu zusätzlichen Montagekosten. Eine weitere häufig eingesetzte Methode ist es, die Schaltflanken abzuflachen. Dies hat aber den unerwünschten Nebeneffekt, dass der Wirkungsgrad reduziert wird, die minimalen Ein- und Auszeiten und ihre entsprechenden Totzeiten verlängert werden und die Geschwindigkeit der potenziellen Stromregelschleife beeinträchtigt wird.

Vor ein paar Jahren stellte Linear Technology den Silent-Switcher-Regler LT8614 vor, der die gewünschten Effekte eines abgeschirmten Gehäuses hat, ohne eines zu besitzen und gleichzeitig viele der gerade genannten Nachteile eliminiert. Nichtsdestotrotz, in einigen verrauschten Applikationen mögen es die Entwickler von Stromversorgungen überhaupt nicht, wegen der EMI-Abstrahlungen auf Spulen basierte Regler einzusetzen. Gleichzeitig kann der Einsatz eines linearen Reglers (z.B. LDO), wegen seines relativ geringen Wirkungsgrads der Wandlung und der Notwendigkeit Kühlkörper verwenden zu müssen, ausgeschlossen sein. Daher gehen die Entwickler zu einer allgemein üblichen Alternative, der Ladungspumpe, über. Aus diesem Grund führte Linear Technology die Bausteine LTC3245 und LTC3260 ein, um die Entwickler mit einer weiteren praktikablen Alternative zu versorgen, die zwischen den beiden gerade angesprochenen Methoden angesiedelt ist.


Bild 1: LTC3245-Schaltung, die einen festen 5-V-Ausgang aus einem Eingang zwischen 2,7 V und 38 V generiert

Was sind die speziellen Vorzüge ihrer Power-Produkte und Lösungen? Können Sie uns dazu ausführliche Informationen geben?

Bild 2: Wirkungsgrad-/Leistungsverlustverlauf des LTC3245 beim wandeln eines 12-V-Eingangs auf 5 V Ausgangsspannung

Der LTC3245 ist ein Ab-/Aufwärtsregler, der auf die traditionelle Spule verzichtet und stattdessen eine Ladungspumpe mit geschaltetem Kondensator verwendet. Sein Eingangsspannungsbereich beträgt 2,7 V bis 38 V und er kann ohne Rückkoppel-Teiler benutzt werden, um eine von zwei festen Ausgangsspannungen von 3,3 V oder 5 V zu generieren, oder mit einem Rückkoppelteiler programmiert, jede beliebige Ausgangsspannung zwischen 2,5 V und 5,5 V. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 250 mA. Der LTC3245 kann eine Spannung über oder unter der Eingangsspannung regeln, was es ihm z.B. erlaubt, die Anforderungen an die Kaltstartbedingungen in einem Automobil zu erfüllen. In Bild 1 ist eine komplette Schaltung gezeigt.

Diese Ladungspumpe kann Wirkungsgrade von 80 Prozent erreichen, wenn sie 5 V mit 100 mA aus einer 12-V-Quelle generiert, rund doppelt soviel wie ein Linearregler, was es ermöglicht, die Kosten und den Platzbedarf eines LDO mit einem Kühlkörper einzusparen. Sie hat auch im Vergleich mit einem LDO eine rund dreimal geringere Verlustleistung bei Volllast. Bild 2 zeigt die Kurven des Wirkungsgrads und der Verlustleistung des LTC3245.

Der LTC3245 zeigt auch ein hervorragendes Verhalten bezüglich abgestrahlter und abgeleiteter EMI, wie in den Bildern 3a und 3b dargestellt. Diese Messungen wurden in einer Mikrotestkammer gemäß CISPR22 und CISPR25 durchgeführt. Wie man erkennen kann, zeigt der LTC3245, wenn er sauber entkoppelt ist, keinerlei Probleme die behördlichen Vorschriften für abgestrahlte und abgeleitete Emissionen einzuhalten.


Bild 3: Abgestrahlte (a) und abgeleitete (b) Emissionen des LTC3245

In vielen industriellen, medizintechnischen und Automobilanwendungen ist oft eine duale Polarität nötig, um elektronische Komponenten wie Operationsverstärker, Treiber und Sensoren zu betreiben. Es sind jedoch nur selten Stromversorgungen mit dualer Polarität an der Last (Point of Load) verfügbar. Speziell für diesen Bedarf und wegen dem Fehlen einer einfach anzuwendenden Lösung, hat Linear Technology den LTC3260 entwickelt.

Der LTC3260 ist ein invertierender Ladungspumpen-DC/DC-Wandler mit zwei rauscharmen LDO-Reglerfolgern, der positive und negative Versorgungsspannungen aus einer einzigen Eingangsspannung zwischen 4,5 V und 32 V erzeugen kann, wie in der kompletten Schaltung in Bild 4 illustriert ist. Er kann zwischen Betrieb im Burst-Modus mit hohem Wirkungsgrad und dem rauscharmen Betrieb mit fester Frequenz und festem Strom (Constant Current Frequency Mode) umschalten, was es dem Entwickler erlaubt, den optimalen Kompromiss für seine Applikation zu finden.

Der LTC3260 kann bis zu 100 mA aus der invertierten Eingangsspannung am Ausgang seiner Ladungspumpe VOUT liefern. Dieser VOUT dient auch als die Eingangsversorgung für einen negativ gepolten LDO-Regler, LDO-. Die Schaltfrequenz der Ladungspumpe kann mit einem einzigen Widerstand zwischen 50 kHz und 500 kHz engestellt werden. Jeder LDO des LTC3260 kann bis zu 50 mA an die Last liefern. Und, jeder LDO hat eine Dropout-Spannung von 300 mV bei 50 mA, wobei ein Ausgangswiderstandsteilernetzwerk die Einstellung der Ausgangsspannung erlaubt. Wenn beide Regler deaktiviert sind, beträgt der Ruhestrom nur 2 µA.


Bild 4: Ein 12-V-Eingang wird auf ± 5-V-Ausgänge gewandelt

---
Interview mit Tony Armstrong, Director of Product Marketing, Power Products, Linear Technology Corporation.