Archiv der Kategorie: EPAP – Automotive

Monolithischer Flyback-Wandler ohne Optokoppler

Traditionell verwendeten galvanisch getrennte Stromversorgungen einen Optokoppler in der Rückkoppelschleife, um die Regelinformationen über die Potenzialgrenze hinweg zu übertragen. Unglücklicherweise variiert die Verstärkungscharakteristik eines Optokopplers sehr stark mit der Temperatur und Lebensdauer, was die Schwierigkeiten der Schleifenkompensation einer Stromversorgung erhöht.

Die Produktlinie der Flyback-Wandler ohne Optokoppler von Linear Technology, wie der LT3573, LT3574, LT3575, LT3511, LT3512 und LT8300, vereinfachen das Flyback-Design, da sie ein spezielles Messverfahren auf der Primärseite beinhalten und damit die Notwendigkeit für einen Optokoppler eliminieren.

Der monolithische Flyback-Wandler ohne Optokoppler LT8302 besitzt einen integrierten 65-V-/3,6-A-DMOS-Leistungsschalter mit interner Schleifenkompensation und Soft-Start. Der LT8302 kann mit Eingangsspannungen zwischen 2,8 V und 42 V arbeiten und liefert eine Ausgangsleistung von bis zu 18 W. Bei geringer Last hat er einen Burst-Modus mit geringer Welligkeit der Ausgangsspannung, was zu geringen Leistungsverlusten im Standby-Modus und geringer benötigter externer Komponentenanzahl führt.

Leistungsfähigkeit und einfacher Einsatz

Bild 1: Vollständiger, galvanisch getrennter 5-V-Flyback-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,8 V bis 42 V (Linear Technology)
Bild 1: Vollständiger, galvanisch getrennter 5-V-Flyback-Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,8 V bis 42 V

Der LT8302 vereinfacht die Entwicklung eines galvanisch getrennten Flyback-Wandlers, indem er die isolierte Ausgangsspannung direkt am Flyback-Signal auf der Primärseite abtastet. Diese Lösung erfordert für die Regelung keine dritte Wicklung oder einen Optokoppler. Die Ausgangsspannung wird über zwei externe Transistoren und einen optionalen temperaturkompensierten Widerstand programmiert. Durch das Integrieren der Schleifenkompensation und dem Soft-Start, minimiert der Baustein die Anzahl der erforderlichen externen Komponenten, wie in Bild 1 dargestellt. Die Betriebsart Boundary-Modus erlaubt den Einsatz von Trafos moderater Größe, unter Beibehaltung einer exzellenten Lastregelung. Der Betrieb im Burst-Modus mit geringer Ausgangspannungswelligkeit resultiert in einem hohen Wirkungsgrad bei geringen Lasten, wobei gleichzeitig die Welligkeit der Ausgangsspannung minimiert wird.

Bild 2: Wirkungsgrad der Flyback-Wandlung für den Wandler in Bild 1 (Bild: Linear Technology)
Bild 2: Wirkungsgrad der Flyback-Wandlung für den Wandler in Bild 1

Bild 1 zeigt eine komplette Flyback-Schaltung mit dem LT8302. Dieser Wandler besitzt bis zu 85% Wirkungsgrad, wie in Bild 2 dargestellt, und hat dank seinem geringen Ruhestromeinen Wirkungsgrad von 82% mit einem Verbraucher von 10 mA und 5 V Eingangsspannung.

Geringer IQ, geringe Vorlast und hoher Wirkungsgrad

Bei sehr kleinen Lasten reduziert der LT8302 die Schaltfrequenz und behält gleichzeitig die minimale Strombegrenzung bei. Unter diesen Bedingungen geht er in den Burst-Modus mit geringer Welligkeit der Ausgangsspannung über, in dem der Baustein zwischen Schlaf- und Schalt-Modus hin und her schaltet. Der typische Ruhestrom liegt bei 106 µA im Schlaf- und 380 µA im Schalt-Modus, was den effektiven Ruhestrom weiter reduziert.

Die typische minimale Schaltfrequenz liegt etwa bei 12 kHz, wobei die Schaltung eine sehr kleine Vorlast benötigt (typisch 0,5% der Volllast). Deshalb sind die Leistungsverluste des LT8302 im Standby-Modus sehr gering – eine Voraussetzung für Applikationen, die einen hohen Wirkungsgrad bei ständig eingeschalteten Systemen erfordern.

Stromversorgungen mit negativer Eingangsspannung

Bild 3: Auf-/Abwärtswandler mit negativer Eingangsspannung und positiver Ausgangsspannung (Bild: Linear Technology)
Bild 3: Auf-/Abwärtswandler mit negativer Eingangsspannung und positiver Ausgangsspannung

In einer typischen Stromversorgung mit negativer Eingangsspannung ist der Masse-Pin des ICs mit dem negativen Eingangspegel, einer variierenden Spannung, verbunden ist. Als Ergebnis ändert sich seine Ausgangsspannung mit der Eingangsspannung, vorausgesetzt dass keine Pegel anhebende Schaltung eingesetzt wird. Das besondere Rückkoppel-Messverfahren des LT8302 kann direkt über die Signalform der Schaltknotenspannung einfach eine geregelte Ausgangsspannung kreieren, was die Pegel anhebende Schaltung eliminiert, die sonst nötig wäre.

 

Bild 3 zeigt einen einfachen Auf-/Abwärtswandler mit negativer Eingangs- und positiver Ausgangsspannung und Bild 4 stellt einen einfachen Abwärtswandler mit negativer Ein- und Ausgangsspannung dar.

Bild 4: Abwärtswandler mit negativer Eingangsspannung und negativer Ausgangsspannung (Bild: Linear Technology)
Bild 4: Abwärtswandler mit negativer Eingangsspannung und negativer Ausgangsspannung

Der LT8302 arbeitet über einen Eingangsspannungsbereich von 2,8 bis 42 V und liefert bis zu 18 W an galvanisch getrennter Ausgangsleistung, ohne dazu eine dritte Wicklung oder einen Optokoppler zu benötigen. Er beinhaltet eine ganze Reihe an Funktionen, die die Komponentenanzahl minimieren, wie der Betrieb im Burst-Modus mit sehr geringer Welligkeit der Ausgangsspannung; internem Soft-Start, Unterspannungssperrfunktion, Temperaturkompensation und interner Kompensation der Rückkoppelschleife.

Der LT8302 eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, angefangen bei batteriebetriebenen Systemen, über Stromversorgungen im Automobil, in der Industrie, in der Medizintechnik und Telekommunikation sowie galvanisch getrennten Hilfs-/Betriebsstromversorgungen. Der hohe Integrationsgrad resultiert in einfacher Anwendbarkeit, geringer externer Komponentenanzahl, hohem Wirkungsgrad und einer vielseitigen Lösung zur Bereitstellung von galvanisch getrennter Stromversorgungsleistung.

SAW-Filter und Chipsätze für Multisatelliten-Navigationssysteme

Teseo II ist eine Single-Chip-IC-Serie (STA8088), die für Multi-Satelliten-Navigationssysteme entwickelt wurde. Neben GPS- und Galileo-Signalen können diese ICs auch Daten von GLONASS (Global Navigation Satellite Systems) verarbeiten. Die Referenzdesigns decken dabei die verschiedensten Kombinationen von GPS, Galileo und GLONASS ab, die im Standard L1/E1 im Frequenzbereich von 1569 bis 1607 MHz arbeiten. Da GLONASS über eine vergleichsweise hohe Zahl von Satelliten verfügt, wird damit die Navigation besonders unter schwierigen Bedingungen deutlich verbessert – etwa in Straßenschluchten von Großstädten.

 Bild 1: Referenzdesign eines Navigationssystems mit Teseo II Chipsatz Bild 1: Referenzdesign eines Navigationssystems mit Teseo II Chipsatz

GLONASS nutzt nicht dasselbe Frequenzband wie GPS und Galileo, sondern ein Seitenfrequenzband. Bei der Entwicklung des Designs mit dem STA8088GA wird trotzdem das gesamte relevante HF-Spektrum bis zur ersten Zwischenstufe verarbeitet.

Dazu befindet sich im Eingangskreis hinter einem externen LNA (Low Noise Amplifier) ein SAW-Filter (B39162B3913U410, Epcos). Er dient dazu, in einem ersten Schritt Signale von GSM, Wi-Fi, UMTS, BT und andere zu unterdrücken. Anschließend wird das GLONASS-Signal von den GPS- und Galileo-Signalen getrennt und mit der Zwischenfrequenz moduliert.

So können alle Signale mit wenigen Bauelementen und damit geringen Kosten verarbeitet werden. Der integrierte LNA bedient beide Pfade und wird separat aus dem Chip herausgeführt. Dadurch ist es möglich, verschiedene SAW-Filter-Designs und -Layouts zu verwenden. Wenn das Signal den zweiten SAW-Filter (B39162B3913U410, Epcos) passiert hat, wird es dem HF-Verstärker und -Mischer für die Zwischenfrequenz zugeführt. Bild 1 zeigt ein Referenzdesign für Automobil-Anwendungen.

Die verwendeten SAW-Filter haben ein Keramik-Gehäuse mit Abmessungen von 3 × 3 × 1,1 mm3 und sind nach dem Standard der Automobil-Industrie AEC-Q200 qualifiziert. Dies bedeutet unter anderem einen Einsatztemperaturbereich von −45 bis 125 °C. Die Bandbreite der Filter beträgt 56 MHz. Das Anpassnetzwerk ist für 50 Ω ausgelegt. Auch die MLCCs (Multilayer Ceramic Chip Capacitor) und Induktivitäten von TDK entsprechen dem Standard AEC-Q200.

Das so realisierte Referenzdesign eignet sich für Navigationsgeräte in Fahrzeugen und kann neben konventionellen Navigationsaufgaben auch Telematikaufgaben übernehmen. Wegen der hohen Präzision eignet es sich auch für sicherheitsrelevante Anwendungen wie eCall, bCall oder Fahrerassistenz-Systeme.

Mit einem weiteren Chip aus der Teseo II-Serie, dem STA8088FG, hat STMicroelectronics ein Navigationssystem für Anwendungen in der Konsum- und Industrie-Elektronik entwickelt. Bei diesem Referenzdesign wird nur ein einziger SAW-Filter benötigt, der zwischen dem aus dem IC herausgeführten LNA und dem HF-Verstärker geschaltet ist. Hier kommt der Typ B39163B4310P810 (Epcos) zum Einsatz. Die Abmessungen dieses Filters liegen bei 1,4 × 1,0 × 0,4 mm3.

Neben seiner Kleinheit zeichnet sich das Bauelement durch gute elektrische Eigenschaften aus. So liegt zum Beispiel die Einfügedämpfung bei 1 dB. Auch dieser Filter ist mit seinem hermetisch dichten Gehäuse nach AEC-Q200 qualifiziert. Die Bandbreite des Filters beträgt 34,37 MHz; das Bauelement kann in einem Temperaturbereich von −40 bis +85 °C betrieben werden.

STMicroelectronics hat beide Referenzdesigns weltweit ausgiebigen Tests unterzogen, um die Vorteile von Multi-Satelliten-Navigationssystemen nachzuweisen.

 Bild 2: Bessere Positionsangaben durch gleichzeitige Nutzung von GPS und GLONASS Bild 2: Bessere Positionsangaben durch gleichzeitige Nutzung von GPS und GLONASS

Bild 2 zeigt eine Testfahrt durch Straßenschluchten in Tokio. Dabei wurde eindeutig nachgewiesen, dass durch die gleichzeitige Nutzung des GPS- und GLONASS-Signals eine deutlich bessere Positionsangabe erzielt wird. Bei einer Testfahrt in Dallas wurde das Design mit einem Wettbewerbsprodukt verglichen, das sich ausschließlich auf GPS-Signale stützt. Auch hier zeigen sich eindeutig die Vorteile der Multi-Satelliten-Nutzung.