Verwendung eines doppelten Buck-Controllers für Stromversorgungs-Systeme

Autor / Redakteur: George Lakkas* / Benjamin Kirchbeck

Power-Management-ICs regeln die Versorgungsspannung von Prozessoren, Double-Data-Rate-Speichern (DDR) und Hilfsfunktionen – auch und nicht zuletzt in Infotainment-Systemen in Kraftfahrzeugen. Wie aber werden diese PMICs gespeist? Eine Lösungsmöglichkeit stellen doppelte Buck-PWM-Controller dar.

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Die zunehmende Leistungsfähigkeit und Funktionalität von Infotainment-Systemen verlangt nach einer entsprechenden Prozessorleistung, nach präziser Spannungsregelung sowie exakten Schutz- und Überwachungsfunktionen.
Die zunehmende Leistungsfähigkeit und Funktionalität von Infotainment-Systemen verlangt nach einer entsprechenden Prozessorleistung, nach präziser Spannungsregelung sowie exakten Schutz- und Überwachungsfunktionen.
(Bild: Clipdealer)

Die zunehmende Leistungsfähigkeit und Funktionalität von Infotainment-Systemen in Kraftfahrzeugen verlangt nach einer entsprechenden Zunahme der Prozessorleistung, nach präziser Spannungsregelung sowie exakten Schutz- und Überwachungsfunktionen für das System. TI bietet zahlreiche für niedrige Spannungen ausgelegte Power-Management-ICs (PMICs) zur Regelung der Versorgungsspannung von Prozessoren, Double-Data-Rate-Speichern (DDR) und Hilfsfunktionen an. Mit „niedrigen Spannungen“ sind in diesem Fall Versorgungsspannungen von 3,3 V oder 5 V gemeint.

Wie aber werden diese PMICs gespeist? Eine gangbare Lösung ist die Verwendung eines gemäß Automotive Electronics Council (AEC) Q100 qualifizierten doppelten Buck-PWM-Controllers (Pulsweiten-Modulation). Die beiden Buck-PWM-Kanäle können sowohl das PMIC versorgen, das seinerseits den Prozessor speist und andere niedrige Versorgungsspannungen bereitstellt, als auch die Versorgung für ein weiteres Subsystem wie etwa die USB-Ports übernehmen. Eine typische Dual-Buck-Controlleranwendung für den Automotive-Bereich ist in Bild 1 dargestellt.

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In Bild 1 wird ein Dual Buck Controller des Typs LM25119-Q1 verwendet, der mit Frequenzen zwischen 50 kHz und 750 kHz betrieben werden kann, sodass sich die Schaltfrequenz sich also außerhalb des AM-Frequenzbands ansiedeln lässt. Der LM25119-Q1 erlaubt hierfür die Verwendung von 500 kHz. Im LM25119-Q1 arbeiten die beiden Buck-Kanäle phasenversetzt, wodurch die Stromwelligkeit am Eingang geringer wird und weniger Kondensatoren verwendet werden können, während sich gleichzeitig Vorteile für die Leistungsdichte und die Kosten ergeben. Ein niedrigerer effektiver Eingangsstrom reduziert die Eigenerwärmung der Eingangskondensatoren und sorgt für insgesamt bessere thermische Eigenschaften. Außerdem wird weniger Kapazität benötigt, um die Welligkeit der Eingangsspannung in einem spezifikationsgemäßen Rahmen zu halten. Bild 2 illustriert die geringere Welligkeit des Eingangsstroms.

Man kann den RT-Pin des LM25119-Q1 (Pin 13) nutzen, um den internen Oszillator des Bausteins zu einem externen Takt zu synchronisieren. Vorteilhaft kann dies zur Eindämmung von Oberwellen und Schwebungsfrequenzen sein, da mehrere Spannungsregler mit derselben, von einem externen Takt vorgegebenen Frequenz arbeiten können. Bild 3 verdeutlicht die Synchronisation zu einem externen Taktsignal. Jeder Kanal ist synchron zu den fallenden Flanken des Taktsignals, und beide Kanäle arbeiten um 180° phasenversetzt zueinander, was zu der bereits erwähnten Verringerung der Welligkeit des Eingangsstroms führt.

Der LM25119-Q1 kann auch zur Versorgung eines PMIC und zur Bereitstellung einer weiteren Spannung beispielsweise für einen USB Typ-C-Port, der 5 V benötigt, dienen. Um ein solches USB Typ-C-Design handelt es sich bei dem TI-Referenzdesign für ein USB Typ-C-Dock. Die Eingangsspannung des doppelten PWM-Buck-Controllers von 20 V stellt den Baustein mit seinem bis 42 V reichenden Eingangsspannungsbereich vor keinerlei Probleme. Dieses Design ist nicht für den Automotive-Bereich konzipiert, jedoch kann ohne weiteres der LM25119-Q1 anstelle des LM25119 eingesetzt werden, kombiniert mit Q100-konformen MOSFETs und anderen Bauteilen. Im vorliegenden Fall speist der LM25119 eine 12-V-Leitung sowie einen USB Type-C-Port mit 5 V (siehe Bild 4).

Für den LM25119-Q1 wird auch WEBENCH®-Designunterstützung geboten, und zum Evaluieren des Bausteins bietet sich das LM25119 Evaluation Board an. Wenn Sie als am Design eines Stromversorgungs-Systems für eine Automotive-Anwendung arbeiten und vor der Aufgabe stehen, aus 12 V Eingangsspannung verschiedene Ausgangsspannungen von beispielsweise 3,3 V oder 5 V zu erzeugen (oder wenn Sie bei 20 V Eingangsspannung auch die 12-V-Leitung bereitstellen müssen), dann ist der doppelte PWM-Buck-Controller LM25119-Q1 mit phasenversetztem Betrieb und Frequenzsynchronisation die richtige Wahl.

* *George Lakkas ist Product Marketing Manager im Bereich Power Management bei Texas Instruments

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