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

Das Fazit lautet, dass die Ausgangsspannung des Boosters zu diesem Zeitpunkt etwas unter die nominelle Ausgangsspannung absinkt. Dieser Spannungseinbruch kann je nach dem Design des Pre-Boosters und der angeschlossenen Last mehr oder weniger stark ausfallen. Eine relativ große Sicherheitsspanne von 4,0 V zwischen dem Booster und der höchsten Ausgangsspannung des Buck-Wandlers lässt einen Spannungseinbruch zwischen 2,0 und 3,0 V zu. Hierbei spielen jedoch auch das maximale Tastverhältnis und die Lastregeleigenschaften der nachfolgenden Wandler eine Rolle. Je geringer die Sicherheitsspanne ist, umso schwieriger und teurer wird das Design des Pre-Boosters.

Typische Kurzspezifikation für einen Pre-Booster

Eine typische Kurzspezifikation für einen Pre-Booster könnte wie folgt aussehen:

• Eingangsspannungsbereich: 3,2 ... 14,0 V; Spitzenspannung 40,0 V, Kaltstart-Prüfimpuls „severe“

• Ausgangsspannung: 9,0 V bei 1,7 A (15 W)

• Schaltfrequenz: <500 kHz

Sofern nicht anders angegeben, ist es wahrscheinlich, dass der Booster nur sehr kurze Zeit (wie vom Prüfimpuls vorgesehen) an der geringsten Eingangsspannung von 3,2 V arbeiten muss. Hieraus folgt, dass der Booster zwar in elektrischer, nicht aber in thermischer Hinsicht für den Betrieb an einer derart geringen Eingangsspannung ausgelegt werden muss. Einige Tests sehen jedoch durchaus ein sehr langsames Absenken der Bordnetzspannung vor, sodass ein Dauerbetrieb auch an geringen Eingangsspannungen von beispielsweise 6,0 V gefordert ist.

Sieht die Spezifikation einen solchen Test vor, so muss die daraus resultierende thermische Belastung einkalkuliert werden, was großen Einfluss auf die Auswahl und Dimensionierung der Bauelemente haben kann. Um den AM-Empfang des Autoradios nicht zu stören, muss die Schaltfrequenz von Stromversorgungen im Auto kleiner als 500 kHz oder größer als 2000 kHz sein. Pre-Booster mit diesen oder höheren Ausgangsleistungen schalten typisch mit weniger als 500 kHz.

Der Booster ist stets aktiv, schaltet aber nicht, solange die Eingangsspannung größer ist als die programmierte Ausgangsspannung von 9,0 V. Eingang und Ausgang sind hierzu über die Diode miteinander verbunden. In diesem Betriebszustand entstehen in der Diode gewisse statische Verluste. Bei 15 W Leistung erzeugt ein Laststrom von etwas über 1 A Verluste in Höhe von ca. 500 mW, die noch akzeptabel sind.

Für diese Anwendung geeignet ist praktisch jeder Boost-Controller, der mit den geforderten Spannungen zurechtkommt, die Temperaturspezifikationen erfüllt und die Automotive-Qualifikation besitzt. Eine gute Wahl ist der TPS40210-Q1 von Texas Instruments. Die Schaltung auf Seite 15 dient als Referenz für die Messergebnisse und Vergleiche. Bei höherem Leistungsbedarf kann ein synchroner Boost-Wandler wie der LM25122-Q1 die bessere Wahl sein. Die Diode wird durch einen FET ersetzt, und der 100-%-Bypass-Modus erzeugt deutlich geringere Verluste.

Fortsetzung folgt

Dies war der erste Teil unserer Beitragsserie zu Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen.

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

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

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

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