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

Der beim Motorstart entstehende Spannungseinbruch kann mit einem so genannten Pre-Booster vermieden werden – einem Aufwärtswandler, der dem eigentlichen System vorangeschaltet ist.

In Teil 1 dieses Beitrags wurde das Problem des Spannungseinbruchs beim Motorstart beschrieben, die Auswirkungen eines Kaltstart-Prüfimpulses auf eine Automotive-Stromversorgung gezeigt und eine typische Spezifikation für einen Pre-Booster behandelt.

Hier in Teil 2 lesen Sie Ratschläge zur richtigen Auswahl aller benötigten Bauelemente. Weitere Themen sind die Reaktion eines Pre-Boosters auf einen Kaltstark-Prüfimpuls und die Auswirkungen seines Fehlerverstärkers.

In Teil 3 geht es um die Unterschiede zwischen den Betriebsarten und die Auswirkungen der Induktivität und der Kapazität auf die Leistungsfähigkeit.

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Allgemeines zur Auswahl der Bauelemente

Mehrere Bauelemente des Boosters beeinflussen das Erreichen einer stabilen Ausgangsspannung beim Anlegen eines Prüfimpulses an den Eingang. Diese Bauelemente und ihre Auswahl sollen nun der Reihe nach durchgegangen werden.

Die Diode am Eingang verhindert Entladung der Eingangskondensatoren

Die Diode am Eingang verhindert, dass sich die großen Eingangskondensatoren C1 und C2 entladen, wenn der Prüfimpuls angelegt wird. Da in den meisten Fällen ohnehin ein Verpolungsschutz benötigt wird, gibt es diese Funktion quasi gratis.

Eine Schottky-Diode wie die Vishay SS5P5 (50 V, 5 A) bietet eine gute Leistungsfähigkeit und besitzt ein geeignetes Gehäuse zur Ableitung der Verlustwärme.

Kostengünstige Eingangskondensatoren genügen

Die großen Kondensatoren puffern die Eingangsspannung und machen die fallende Flanke des Prüfimpulses flacher. Sie haben großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit.

Die maximale Kapazität wird übrigens nicht nur durch den Platzbedarf und die Kosten der Kondensatoren eingeschränkt, sondern auch durch ihre Leckströme. Systeme dieser Art sind nämlich meist dauerhaft mit dem Bordnetz verbunden, und es ist eine bestimmte maximale Ruhestromaufnahme (meist im Bereich von 100 µA pro ECU) vorgeschrieben, die nicht nur den Boost-Controller selbst, sondern seine gesamte Schaltung betrifft.

Verglichen mit dem Ausgang, ist am Eingang eines Boost-Wandlers, der im Continuous Conduction Mode (CCM) arbeitet (d. h. der Strom durch die Induktivität wird niemals Null), kein besonders hoher Wechselstromanteil zu beobachten, sondern es fließt vielmehr ein kontinuierlicher Strom, dem eine gewisse Welligkeit überlagert ist.

Da die Wechselstrombelastung der Eingangskondensatoren somit eher gering ist, können kostengünstige Elektrolyt-Kondensatoren mit höherem ESR und geringerer RMS-Strombelastbarkeit (z. B. die FK-Serie von Panasonic) verwendet werden.

Die erforderliche Nennspannung des FET hängt vom Hersteller ab. Einige Anbieter lassen für ihre Kondensatoren mit 35 V Nennspannung durchaus Spannungsspitzen bis 40 V zu, sodass nicht unbedingt ein Kondensator mit 50 V Nennspannung gewählt werden muss. Dies ist mit dem Hersteller abzuklären.

Die ISO-Norm 7637-2 definiert Impulse bis in den Bereich von 100 V. Diese werden von der Batterie großenteils auf 27 V oder 40 V abgeschwächt, doch ist die abschwächende Wirkung eher langsam. Deshalb können nach wie vor erhebliche Spannungsspitzen auftreten, weshalb viele OEMs in jedem Fall die Verwendung von Kondensatoren mit mindestens 50 V Nennspannung vorschreiben.

Der FET muss für 40 V ausgelegt sein

Im normalen Boost-Betrieb wird der FET mit relativ geringen Spannungen, aber einem hohen Strom konfrontiert. Leider muss er an seinem Eingang die Spannungsspitze von 40,0 V verkraften, sodass ein für 40 V ausgelegter FET benötigt wird, obwohl eine Version mit 20 V Nennspannung eigentlich ausreichend wäre.

Da die an den Eingang der Schaltung gelegte Spannungsspitze von 40,0 V durch das Eingangsfilter und die Ausgangskondensatoren abgeschwächt wird, ist es nicht notwendig, einen FET mit 60 V Nennspannung zu wählen, um eine zusätzliche Reserve zu haben.

Ein geringer Widerstand ist wesentlich wichtiger als eine hohe Schaltgeschwindigkeit, denn die Ströme sind hoch und die Spannung ist gering. Gleichzeitig muss auf die Gesamt-Gateladung des FET geachtet werden, um den Gatetreiber des Controllers nicht zu überlasten.

Der Shunt-Widerstand sollte klein sein

Der Shunt-Widerstand ist so klein zu wählen, dass der Überstromschutz bei den Stromspitzen nicht anspricht. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass das Berechnen des maximalen Stroms bei der minimalen Eingangsspannung nicht ausreicht, da es nur für den stationären Betriebszustand gilt.

Wie wir weiter unten noch sehen werden, ist der Spitzenstrom nämlich deutlich größer. Somit ist es sinnvoll, dessen Wert durch Messungen zu ermitteln, damit ein zu frühes Ansprechen des Überstromschutzes vermieden wird.

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.

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.

Ausgangskondensator als Energiepuffer

Für den Prüfimpuls fungiert der Ausgangskondensator als Energiepuffer. Es versteht sich, dass ein großer Pufferkondensator das Einbrechen der Versorgungsspannung reduziert. Genau wie beim Eingangskondensator wird die Kapazität jedoch auch hier durch den maximal zulässigen Leckstrom begrenzt.

Der Boost-Controller selbst wird durch seine eigene Ausgangsspannung versorgt. Hierdurch hat die interne Bias-Spannung stets ihren Nennwert von 8,0 V und es wird kein Logikpegel-FET für die Leistungsstufe benötigt. Abgesehen davon besteht hierdurch die Möglichkeit, den Boost-Wandler auch an Eingangsspannungen zu betreiben, die kleiner als die Mindest-Versorgungsspannung des IC sind.

Reaktion des Boosters auf einen Prüfimpuls

Bild 4 zeigt die Kurven eines typischen, im CCM-Betrieb arbeitenden Pre-Boosters beim Anlegen eines Prüfimpulses. Die grüne Kurve ist die Eingangsspannung, die dem in Teil 1, Bild 1 gezeigten Impulsverlauf folgt.

Die Eingangsspannung am Eingangskondensator nach der Verpolungsschutz-Diode ist rot dargestellt, und die violette Kurve gibt die Ausgangsspannung des Boosters wieder. Der blau dargestellte Spulenstrom zeigt zunächst einen deutlichen Anstieg. Der Ausgang des Fehlerverstärkers des Boost-Controllers (COMP) schließlich wird von der hellblauen Kurve ganz unten wiedergegeben.

Die violett dargestellte Ausgangsspannung weist am Beginn des Prüfimpulses, wenn die Bordnetzspannung von 11,0 V auf 3,2 V abfällt, einen deutlichen Einbruch auf. Danach jedoch ist die Ausgangsspannung stabil und einwandfrei auf einen Wert von 9,0 V geregelt.

Der entscheidendste Aspekt für einen Pre-Booster ist es deshalb, mit diesem starken Abfall der Spannung fertig zu werden, ohne dass es zu einem übermäßigen Einbruch der Ausgangsspannung kommt. Der Rest des Impulses ist recht einfach handhabbar, zumal es dabei im Wesentlichen um die thermische Auslegung geht. Bild 5 zeigt eine genauere Ansicht des kritischen Teils des Prüfimpulses.

Die fallende Flanke am Eingang wird durch den Eingangskondensator gedämpft (grüne Kurve). Es dauert ungefähr 1,2 ms, bis der Booster zu schalten beginnt und der Spulenstrom ansteigt.

Bis zu diesem Zeitpunkt wird die Last ausschließlich aus dem Ausgangskondensator versorgt, und die Ausgangsspannung sinkt entsprechend ab. Anschließend beginnt sich der Wandlerausgang jedoch zu erholen, bis er sich schließlich auf die Nennspannung von 9,0 V einschwingt.

Im nächsten Abschnitt kommen die Gründe für dieses Verhalten genau zur Sprache, und es werden Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt.

Der Einfluss des Fehlerverstärkers

Die 1,2 ms betragende Verzögerung des Boosters ganz am Anfang wird durch die Sättigung des Fehlerverstärker-Ausgangs COMP verursacht. Bei 11,0 V am Eingang ist die Spannung am Feedback-Widerstandsteiler höher als die Referenzspannung, weshalb die Spannung am Fehlerverstärker auf null zurückgeht und der Wandler nicht schaltet.

Wird nun der Prüfimpuls angelegt, so fällt die Ausgangsspannung und die Feedback-Spannung wird kleiner als die Referenzspannung. Danach muss der Fehlerverstärker zunächst die Kondensatoren des Kompensationsnetzwerks – dies sind die Kondensatoren zwischen COMP und FB (Pins 4 und 5) auf einen bestimmten, für die Regelung erforderlichen Wert laden.

Der Ladestrom wird jedoch durch den maximalen Ausgangsstrom des Fehlerverstärkers (typ. 250 µA) und den mit dem größeren Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand begrenzt. Diese, durch die Sättigung des Fehlerverstärkers hervorgerufene Verzögerung hat den größten Einfluss auf das Einbrechen der Ausgangsspannung während des Kaltstart-Prüfimpulses.

Abmildern lässt sich dieses Problem nur, indem man die Kapazität der Kondensatoren reduziert und den Widerstandswert vergrößert. Diese Möglichkeit scheidet jedoch aus, weil diese drei Bauelemente die Verstärkung, eine Nullstelle und eine Polstelle des Fehlerverstärkers so festlegen, dass ein gut geregelter Ausgang, schnelle Lastregeleigenschaften und ausreichend Phasenrand und Amplitudenreserve entstehen.

Die Bandbreite und damit auch die Verstärkung des im nicht-lückenden Betrieb arbeitenden Boosters werden somit durch die Nullstelle in der rechten Halbebene (Right Half Plane Zero) bestimmt. Um eine stabile und zuverlässige Schaltung zu bekommen, wird die maximale Bandbreite irgendwo zwischen einem Zehntel und einem Fünftel dieser Frequenz angesiedelt.

Wie die Formel verdeutlicht, lässt sich die Frequenz, an der sich diese Nullstelle befindet, nur über die Induktivität beeinflussen, da alle übrigen Parameter (Ausgangsspannung, Laststrom und Tastverhältnis) bereits durch die Spezifikation des Boosters festgelegt sind.

Bei der Auslegung des Kompensationsnetzwerks ist es wichtig, die niedrigste Frequenz dieser Nullstelle zugrunde zu legen, die sich bei der geringsten Eingangsspannung und dem maximalen Laststrom einstellt. Die Bandbreite eines solchen Pre-Boosters liegt in der Regel zwischen einigen hundert Hertz und einigen Kilohertz.

Diese Bedingungen begrenzen also die Bandbreite und ergeben bestimmte Werte für das Kompensationsnetzwerk, die zum Erzielen eines besseren Prüfimpuls-Verhaltens nicht einfach geändert werden können, will man nicht Gefahr laufen, dass die Schaltung im Lauf der Zeit instabil wird.

Eine große Bandbreite bedingt große Widerstände und kleine Kondensatoren im Kompensationsnetzwerk, und somit bleibt das Reduzieren der Induktivität als einzige Möglichkeit, die Nullstelle in der rechten Halbebene bei einem im nicht-lückenden Betrieb arbeitenden Boost-Wandler in Richtung höherer Frequenzen zu verlagern.

Der Ausgang des Fehlerverstärkers kann dann die Kondensatoren schneller laden und die Regelwirkung setzt früher ein, wenn ein Prüfimpuls angelegt wird.

Die Regelung der Ausgangsspannung verbessert sich mit der Bandbreite des Pre-Boosters

Die Gegenüberstellung in Tabelle 1 zeigt, wie sich die Regelung der Ausgangsspannung verbessert, wenn die Bandbreite des Pre-Boosters angehoben wird. Das Kompensationsnetzwerk wird so angepasst, dass Phasenrand und Amplitudenreserve ähnlich sind (mindestens 60° Phasenrand und -20 dB Amplitudenreserve), während sich die Bandbreite praktisch verdoppelt.

Falls nicht anders angegeben, verwenden alle folgenden Messungen einen „Standard“-Prüfaufbau mit einer Kapazität von 220 µF, einer Induktivität von 2,2 µH, einer Ausgangskapazität von 47 µF und einer auf 9,0 V eingestellten Ausgangsspannung. Der Ausgang wird durch einen synchronen Buck-Wandler des Typs LM53602-Q1, der 5,0 V bei 2,0 A liefert, mit 10 W belastet.

Bei verdoppelter Bandbreite bricht die Ausgangsspannung nur um 26 % ein, verglichen mit 58 % bei geringerer Bandbreite. Die minimale Ausgangsspannung von 6,7 V liegt noch deutlich über der Ausgangsspannung von 5,0 V des nachfolgenden Buck-Wandlers, sodass das System kontinuierlich und ohne Unterbrechung arbeitet.

Phasenrand und Amplitudenreserve müssen stets ausreichend groß sein

Es bringt einen klaren Vorteil, die Bandbreite des Pre-Boosters so weit wie möglich zu erhöhen. Dabei müssen Phasenrand und Amplitudenreserve jedoch stets ausreichend groß sein.

Das Reduzieren der Induktivität und das dadurch bewirkte Verlagern der Nullstelle in der rechten Halbebene zu höheren Frequenzen sorgt potenziell für höhere Bandbreiten und ein geringeres Einbrechen der Ausgangsspannung. Als weiterer Vorteil kommt der etwas geringere Scheitelstrom in der Induktivität hinzu.

Um dies zu verstehen, lohnt sich ein genauerer Blick auf den Ausgangskondensator. Wenn die Eingangsspannung fällt und der Wandler noch nicht schaltet, wird die angeschlossene Last ausschließlich aus dem Ausgangskondensator versorgt.

Sobald nun der Booster zu schalten beginnt, muss er nicht nur den angeschlossenen Verbraucher versorgen, sondern auch den Ausgangskondensator wieder aufladen. Je geringer aber die Bandbreite ist, umso größer ist die Regelverzögerung und die Entladung des Ausgangskondensators, sodass folglich auch ein höherer Strom für dessen Wiederaufladung erforderlich ist.

Kfz-Stromversorgungen

Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen (Teil 1)

* Matthias Ulmann ist Reference Design Engineer in der EMEA Design Services Group bei Texas Instruments in Freising. .

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