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DC/DC-Wandler Kompakte und effiziente Abwärtswandler im Automobil

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

DC/DC-Wandler in automobilen Anwendungen sollten eine ganze Reihe von Voraussetzungen mitbringen. Am Beispiel des 5-A-Step-Down-Reglers MPQ4470 zeigen wir, worauf es dabei ankommt.

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Das MPQ4470-Evaluation-Board mit einem Wirkungsgrad von 94,6%
Das MPQ4470-Evaluation-Board mit einem Wirkungsgrad von 94,6%
(Bild: Codico)

Der monolithische, synchrone 5-A-Step-Down-Regler MPQ4470 von Monolythic Power Systems (MPS) (Vertrieb: Codico) eignet sich vor allem für Automotive-Anwendungen und ist eine kompakte und effiziente Lösung für Anwendungen mit höherem Strombedarf. Im MPQ4470 sind 40- und 20-mΩ-MOSFETs (HS/LS) für einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 36 V (max. 40 V) in einem Gehäuse mit den Maßen 3 mm x 4 mm integriert – eine schaltungstechnisch deutlich vereinfachte Alternative zu Buck-Controller-Bausteinen mit externen MOSFETs. Der MPQ4470 wird für einen Temperaturbereich von –40 bis 125 °C angeboten, die automotive Version mit AECQ100-G1 wird derzeit qualifiziert.

Adaptives COT-Verfahren zur Regelung

Um ein bestmögliches Lastsprung-Verhalten für anspruchsvolle FPGAs oder GSM-Module zu liefern, verwendet der MPQ4470 ein adaptives COT-Verfahren (Constant On Time) zur Regelung. Normalerweise haben COT-Regler den Nachteil, dass die Schaltfrequenz von der Eingangsspannung und dem ESR des Ausgangskondensatores abhängt. Dies ist in vielen Anwendungen unerwünscht.

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COT-Regler mit nahezu konstanten Schaltfrequenz

Im MPQ4470 wird die Einschaltzeit intern in Abhängigkeit von der Eingangsspannung verändert, sodass sich eine nahezu konstante Schaltfrequenz für unterschiedliche Eingangsspannungen ergibt. Über R4 und C4 (Bild 1) wird zusätzlich ein Ripple-Signal in das Rückkoppel Netzwerk (R1 und R2) eingespeist, um die Schaltfrequenz unabhängig vom ESR des Ausgangskondensators zu machen. Dank dieser Schaltungsdetails ergibt sich ein COT-Regler mit einer nahezu konstanten Schaltfrequenz, der zudem mit dem niedrigen ESR keramischer Ausgangskondensatoren stabil arbeitet.

Einstellbare Schaltfrequenz erlaubt kleinere Bauteile

Die einstellbare Schaltfrequenz des MPQ4470 erlaubt es, die Größe der externen Bauteile gegenüber den Schaltverlusten für die jeweilige Applikation zu optimieren. In einer Step-Down-Wandler-Anwendung von 24 auf 3,3 V und 3 A Last beträgt der Wirkungsgrad bei einer Schaltfrequenz von 350 kHz 92,3%. Erhöht man die Frequenz auf 500 kHz, so fällt die Effizienz auf 91,8%, bei 700 kHz beträgt sie nur noch 90,6% – eine Verdopplung der Schaltfrequenz ergibt also in diesem Arbeitspunkt eine um 170 mW (1,7%) höhere Verlustleistung.

Die Schaltverluste steigen linear mit der Frequenz

Wird die Schaltung mit 12 V am Eingang versorgt, ergibt sich eine Effizienz von 94,1% bei 3 A und 350 kHz sowie von 93,7% bei 700 kHz. Bei der niedrigeren Eingangsspannung verringert sich die Effizienz nur um 0,4%, also 40 mW.

Vergleicht man 12 V und 24 V Eingangsspannung bei gleicher Schaltfrequenz, so beträgt der Unterschied 1,8% (350 kHz) bzw. 3,1% (700 kHz). Die Schaltverluste steigen linear mit der Frequenz und quadratisch mit der Versorgungsspannung.

Besseres Lastsprung-Verhalten dank COT-Verfahren

Das COT-Verfahren wurde ausgewählt, um im Vergleich zu klassischen Reglern ein deutlich besseres Lastsprung-Verhalten zu erreichen. Im COT reagiert ein Komparator unmittelbar bei fallender Ausgangsspannung mit einem Einschaltpuls. Im Buck-Regler mit fester Schaltfrequenz (fsw) liegt die Grenzfrequenz der Regelschleife in der Praxis meist im Bereich von einem Fünftel bis zu einem Zehntel dieser Frequenz, bei fsw = 500 kHz beträgt die Regelzeitkonstante also 10 bis 20 µs. Für eine gute Ausregelung eines Lastsprungs werden somit, je nach Auslegung des Reglers, ca. 30 bis 100 µs benötigt. Die COT-Schaltung kommt bei gleicher Regelabweichung mit einer kleineren Ausgangskapazität aus.

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