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Kfz-Elektronik Worauf es bei Stromversorgungen für Start-/Stopp-Systeme ankommt

| Autor / Redakteur: Mark Scholten * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Start-/Stopp-Systeme reduzieren den Spritverbrauch im Stadt- und Stop-and-go-Verkehr – aber sie stellen hohe Ansprüche an die Stromversorgung. Hier erfahren Sie, worauf Sie dabei achten müssen.

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Stopp-and-Go-Verkehr: Mit einem Start-/Stopp-System spart man hier richtig Sprit
Stopp-and-Go-Verkehr: Mit einem Start-/Stopp-System spart man hier richtig Sprit
(Bild: ADAC)

Um den Kraftstoffverbrauch zu senken, bauen Fahrzeughersteller eine Start-/Stopp-Funktion in die neuen Generationen ihrer Fahrzeuge ein. Diese Systeme schalten den Motor ab, wenn das Fahrzeug zum Stillstand kommt und dann automatisch wieder ein, wenn der Fuß vom Bremspedal auf das Gaspedal bewegt wird. Dies reduziert den Kraftstoffverbrauch im Stadtbereich und im Stop-and-go-Verkehr.

Hohe technische Anforderungen an die Fahrzeugelektronik

Solche Systeme stellen hohe technische Anforderungen an die Fahrzeugelektronik, da die Batteriespannung auf 6 V oder weniger fallen kann, wenn der Motor wieder gestartet wird. Zusätzlich haben typische Kfz-Elektronikmodule eine Verpolungsschutz-Diode, um die Elektrik bei einer Starthilfe zu schützen, falls die Starthilfekabel vertauscht werden.

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Diese Diode verursacht einen weiteren Batteriespannungsabfall um 0,7 V, womit 5,3 V oder weniger für nachfolgende Schaltkreise zur Verfügung stehen. Da viele Module immer noch eine 5-V-Versorgung erfordern, fehlt der Spannungsversorgung somit der Spielraum, ordnungsgemäß betrieben zu werden.

Niedrige Eingangs- und höhere Ausgangsspannung

Ein Lösungsansatz ist eine Boost-Versorgung. Mit einer niedrigen Eingangsspannung wird eine höhere Spannung am Ausgang erzeugt. Viele Zulieferer bieten derzeit eine Art Boost-Versorgung für das Frontend der Elektronikmodule, damit diese unter den Bedingungen im Start-/Stopp-Betrieb ordnungsgemäß funktionieren.

Der folgende Beitrag beschreibt verschiedene Lösungen: Low-Dropout-Linearregler, Verpolungsschutz und verschiedene Boost-Optionen für Start-/Stopp-Systeme. Wie bei den meisten technischen Herausforderungen gibt es verschiedene Lösungen. Fällt die Batteriespannung am Eingang nur bis auf mindestens 6 V, ist die erste und einfachste Lösung ein Low-Dropout Linearregler, der <0,3 V Spielraum benötigt. Dies mag für Module mit geringen Stromanaufnahmen funktionieren; die Optionen schwinden aber bei Modulen mit höherem Strombedarf.

Schottky-Diode oder p-Kanal-MOSFET statt p-n-Diode

Alternativ lässt sich die Standard-p-n-Diode für den Verpolungsschutz im Frontend durch eine Schottky-Diode oder einen p-Kanal-MOSFET ersetzen. Eine Schottky-Diode weist nur den halben Spannungsabfall einer Standarddiode auf, sodass etwas mehr Spannung zur Verfügung steht. Der Wechsel zu einer Schottky-Diode ist einfach, da sie in die gleichen Leiterplattenanschlüsse der Standarddiode passt, was Layout-Änderungen erübrigt. Der p-Kanal-MOSFET erfordert jedoch eine Änderung auf der Leiterplatte, sowie zusätzliche Schaltkreise.

Für den Verpolschutz sind drei Komponenten nötig

Bild 1 zeigt die drei erforderlichen Komponenten: einen p-FET, eine Zener-Diode und einen Transistor. Der p-FET muss so dimensioniert werden, dass er die am Moduleingang angelegte Spannung und die erforderlichen Lastströme verarbeitet. Auch die thermischen Anforderungen sind zu berücksichtigen, da die Verlustleistung des FETs das Quadrat des Stroms multipliziert mit dem FET-Durchlasswiderstand ist. Die Zener-Diode schützt das Gate-Oxid des MOSFETs vor Überspannungsschäden. Die meisten p-FETs können zwischen 15 und 20 V der Gate-zu-Source-Verbindung verarbeiten; die Zener-Diode muss daher so bemessen sein, dass sie vorher abklemmt.

Der Widerstand zieht das Gate gegen Masse, um den p-FET einzuschalten und muss ebenfalls entsprechend bemessen sein. Er darf nicht zu klein sein, da sonst zu viel Strom durch die Zener-Diode fließt und dort zu einer hohen Verlustleistung führt. Ist der Widerstand jedoch zu groß, schaltet sich der p-FET eventuell nicht stark genug ein. Sinn und Zweck dieser Schaltung ist aber, den Spannungsabfall über die Drain-zu-Source-Verbindung zu minimieren.

Wenn die Eingangsspannung unter 5 V fällt ...

Wahrscheinlich ist eine der oben genannten Lösungen oder eine Kombination von Lösungen für eine bestimmte Anwendung ausreichend. Was passiert jedoch, wenn die Eingangsspannung tatsächlich unter 5 V fällt? Einige Hersteller kalkulieren mit 4,5 V bei Kaltstart-Bedingungen. Ist dies der Fall, ist ein Schaltregler erforderlich, um die Eingangsspannung zu erhöhen. Die drei gängigsten Varianten sind die Boost-, die Buck-/Boost- und die SEPIC-Architektur.

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