Kfz-Stromversorgungen

Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen (Teil 2)

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Die Induktivität muss maximalen Strom verkraften

Die Induktivität ist so zu wählen, dass sie den maximalen Strom im ersten Teil des Anlass-Impulses bei abnehmender Batteriespannung verkraftet, ohne in die Sättigung zu gehen.

Gut geeignet sind Induktivitäten aus Verbundmaterial oder Eisenpulver (z. B. die XAL-Serie von Coilcraft), da sie einen hohen Sättigungsstrom mit sanftem Sättigungsverhalten, einem niedrigen Gleichstromwiderstand und kleinen Abmessungen verbinden.

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Ein geringfügiger Nachteil bei Induktivitäten dieser Art sind die verglichen mit Ferritkernen höhere Kernverluste. Dieser Mangel kann hier jedoch außer Acht gelassen werden, da die hohe Strombelastung nur sehr kurze Zeit andauert. Beim Überprüfen des Gleichstromwiderstands der Spule ist zu berücksichtigen, dass sie bei nicht schaltendem Wandler vom gesamten Laststrom durchflossen wird, was zusätzliche Verluste verursacht.

Anforderungen an die Diode zwischen Schaltknoten und Ausgangskondensatoren

Die durchschnittliche Stromstärke in der Diode, die sich zwischen dem Schaltknoten und den Ausgangskondensatoren befindet, ist gleich dem Ausgangsstrom von 1,7 A. Ähnlich wie beim FET muss auch bei der Diode die maximale Sperrspannung größer sein als im Normalbetrieb erforderlich, da am Eingang Spannungsspitzen bis zu 40,0 V vorkommen können.

Wenn der Booster nicht schaltet und eine Last am Ausgang liegt, kann diese Diode zusammen mit der Verpolungsschutz-Diode gewisse Verluste verursachen. Die thermischen Auswirkungen sind bei der Auswahl des Gehäuses für diese Diode einzukalkulieren. Aus Einfachheitsgründen wurde im vorliegenden Design die gleiche Diode wie für den Verpolungsschutz gewählt.

Kondensatoren am Ausgang müssen groß sein

Im Gegensatz zum Eingang werden die Kondensatoren am Ausgang eines Boost-Wandler einer starken Stromwelligkeit ausgesetzt, sodass zum Glätten der Ausgangsspannung recht viel Kapazität benötigt wird. Auf den ersten Blick hat es den Anschein, dass ein hochwertiger Elektrolytkondensator mit niedrigem effektivem Serienwiderstand (ESR) und hoher Wechselstrombelastbarkeit benötigt wird.

Die Stromfestigkeit eines Kondensators hängt hauptsächlich von seinem ESR und den damit zusammenhängenden Verlusten ab (Produkt aus dem ESR und dem Quadrat des RMS-Wertes des Wechselstromanteils). Ein hoher ESR-Wert sorgt für hohe Verluste und damit für höhere Temperaturen im Kondensator, die sich wiederum ungünstig auf dessen Lebensdauer auswirken.

In dieser Anwendung arbeitet der Booster allerdings nicht ständig, sondern immer nur für relativ kurze Zeitspannen. Deshalb ist der durchschnittliche RMS-Wert deutlich geringer, sodass ein kostengünstiger Elektrolytkondensator wie der am Eingang verwendete auch hier ausreicht.

Das ist jedoch noch nicht alles, denn der Booster versorgt zwei Buck-Wandler, sodass die Ausgangskondensatoren des Boosters gleichzeitig als Eingangskondensatoren der Buck-Wandler fungieren. Im Gegensatz zu einem Boost-Wandler ist die Stromwelligkeit am Eingang eines Buck-Wandlers hoch.

Auch wenn also der Boost-Wandler nicht schaltet, werden seine Ausgangskondensatoren mit dem hohen Eingangs-Wechselstrom der Buck-Wandler konfrontiert. Trotzdem kann ein Elektrolytkondensator mit hohem ESR verwendet werden, wenn die Ausgangskondensatoren des Boosters durch eine kleine Induktivität von den Eingangskondensatoren der Buck-Wandler entkoppelt werden.

Besser ist es allerdings, qualitativ hochwertige Polymer-Hybridkondensatoren beispielsweise der ZA-Serie von Panasonic als Ausgangskondensator des Boosters und gleichzeitig als Eingangskondensator der Buck-Wandler zu verwenden. Dies spart nicht nur Leiterplattenfläche, sondern kann auch die Kosten des gesamten Systems verringern, da in diesem Fall keine eigenen Eingangskondensatoren für die Buck-Wandler benötigt werden.

Hinsichtlich des Layouts gilt in diesem Fall, dass die Buck-Wandler sehr nah am Ausgangskondensator des Boosters angeordnet werden sollten.

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