Stromversorgung
Stromversorgung Application Note 107 Eingangsspannungsbereicherweiterung von PowerPath- Bausteinen für Automobil- und industrielle Applikationen Der Eingangspannungsbereich der PowerPath-Schaltungen von Linear Technology kann mit nur wenigen Komponenten einfach erweitert werden, was es ihnen ermöglicht, die Anforderungen von nahezu allen Anwendungen zu erfüllen. Dieser Applikationsbericht beschreibt Lösungen für Schaltungen, die große negative Spannungen verkraften müssen, den Eingang eines Reverse- Adapters zum Beispiel sowie Schaltungen, die große positive Eingangsspannungen erhalten, wie z.B. Spannungsspitzen (load-dump) in Automobilen. Erweitern des Spannungsbereichs Alle PowerPath-Controller von Linear Technology können von Von Greg Manlove, Linear Technology Corporation einem erweiterten Spannungsbereich profitieren, selbst die, die bereits einen weiten Betriebsspannungsbereich und große maximale absolute Spannungsbereiche besitzen. Die Bausteine LTC4412HV und LTC4414 verkraften z.B. Spannungen zwischen – 14 V und 40 V, die mit der hier beschriebenen Technik noch erweitert werden können. Genauso kann der Spannungsbereich des LTC4412 von – 14 V bis 28 V vergrößert werden. Die Spannungsbereiche der monolithischen PowerPath-Lösungen wie dem LTC4411, die von – 0.3 V bis 6 V reichen, können ebenfalls erweitert werden, allerdings nicht so deutlich. Es gibt zwei unterschiedliche Methoden den Spannungsbereich der PowerPath-Bausteine zu vergrößern. Die erste erfüllt durch das Hinzufügen einer Schottky-Diode die Anforderungen für negative Eingangsspannungen. Diese Änderung stellt sicher, dass der externe P-Kanal-Transistor im Aus- Zustand gehalten wird, wenn die Ausgangsspannung unter Massepotenzial abfällt. Die zweite Methode erlaubt es dem IC, sowohl über dem spezifizierten Spannungsbereich als auch unter Massepotenzial zu arbeiten. Die Anzahl benötigter Komponenten ist dabei mit drei zusätzlichen immer noch gering. Schaltung für große negative Eingangsspannungen Bild 1 zeigt ein Beispiel zur Beschreibung der Schaltung. Die Masse- und Kontroll-Pins des PowerPath-ICs sind über eine Schottky-Diode mit Masse verbunden. Wenn die Stromversorgung unter Massepotenzial abfällt, ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und sperrt den negativen Versorgungspfad zur Masse. Die maximale negative Spannung für die Schaltung ist durch die maximal erlaubte Spannungsdifferenz zwischen dem Sense-Pin und dem VIN- Pin begrenzt. Sowohl im Falle des LTC4412HV als auch des LTC4414 ist dieser Unterschied 40 V, so dass die negative Spannungsbegrenzung – 40 V ist. Genauso ist der LTC4411 auf – 6 V begrenzt. Bei diesen beiden Werten geht man davon aus, dass der Sense-Pin (Lastseite) 0 V Spannung aufweist. Da sowohl der LTC4412HV als auch der LTC4414 ohne Diode bereits – 14 V verkraften, muss die Sperr-Durchbruchspannung der Schottky-Diode 26 V überschreiten, um die – 40 V am Eingang zu erreichen (40 V – 14 V = 26 V). Im normalen Betrieb, wenn die Eingangsversorgungsspannung positiv ist, ist die Spannung am Masse-Pin gleich der Vorwärtsspannung der Schottky- Diode oder ungefähr 0,2 V. Im Gegenzug erhöht, diese zusätzliche Spannung am Masse-Pin die minimale Betriebsspannung der Schaltung um etwa 0,2 V. Der Schwellwert des Steuersignaleingangs erhöht sich um denselben Wert. Wenn die Eingangsversorgungsspannung noch weiter in den negativen Bereich geht, als im Normalbetrieb des Bausteins (-14 V beim LTC4412 und LTC4414), beginnt auch der Masse-Pin in den negativen Bereich überzugehen. Das IC hält den P-Kanal-FET auf Aus, wenn die Versorgungsspannung negativer als die Masse wird, bis die maximale Spannung VSENSE minus VIN erreicht wird (-40 V beim LTC4412 und LTC4414 sowie – 6 V beim LTC4411). Die Spannungen an den Kontroll- und Zustands-Pins werden bei diesen großen negativen Stromversorgungsspannungen ebenfalls negativ. Dazu betrachtet man in Bild 2 eine Schaltung, die die Steuerung des PowerPath-ICs während des Normalbetriebs erlaubt. Ein Serienwiderstand mit 100 kOhm 10 hf-praxis 7/2012
Stromversorgung Bild 1: Schaltung, die mit großen negativen Eingangsspannungen arbeiten kann Bild 2: PowerPath-Schaltung, die mit großen negativen Versorgungsspannungen arbeitet und dazu Steuer- und Zustands-Pins benutzt Bild 3: PowerPath-Schaltung, die mit großen positiven Eingangsspannungen arbeitet muss zwischen den Mikroprozessorausgang und den Steuerungseingang eingefügt werden. Dieser Reihenwiderstand erlaubt es dem Steuerungs-Pin unter Massepotenzial abzufallen, ohne einen hohen Strom am Mikroprozessor oder anderen Bausteinen, die dieses Bauteil steuern, zu verursachen. Der Zustands-Pin fällt bei einer negativen Versorgungsspannung ebenfalls unter Massepotenzial, was den 100-kOhm-Reihenwiderstand zwischen Zustands-Pin und dem Mikroprozessoreingang notwendig macht. Noch einmal, der Widerstand wird eingefügt, um den Mikroprozessor vor dem negativen Eingangssignal zu schützen. Realistisch ist VCC nicht gültig, wenn die Eingangsversorgungsspannung negativ ist, so dass dieses Bauteil bei allen gültigen Versorgungsbedingungen arbeitet. Der 100-kOhm-Reihenwiderstand hat nur eine minimale Auswirkung auf den Schwellwert des Steuerungs- oder den Ausgang der Zustands-Pins. Beide Signale haben eine nominale Massereferenz bei der VF der Schottky- Diode oder ungefähr 0.2 V. Dies ist die größte Abweichung vom Nominalwert und sollte in den meisten Systemen kein Problem darstellen. Schaltung für große positive Eingangsspannungen Bild 3 zeigt eine Darstellung der Schaltung. Die Masse- und Steuer-Pins des ICs der Power- Path-Schaltung sind gemeinsam verdrahtet und über einen Widerstand auf Masse gelegt. Sie sind über eine Zener-Diode ebenfalls mit dem Eingang der Stromversorgung verbunden. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode muss kleiner als die Durchbruchspannung des ICs sein: deshalb wird eine 5-V-Zener- Diode für den LTC4411 und eine 36-V-Zener-Diode sowohl für den LTC4412 als auch LTC4414 verwendet. Wenn eine positive Spannung am System anliegt, klemmt die Zener-Diode die Spannung zwischen den Vin- und Masse- Pins. Die Spannung am Widerstand, der mit der Systemmasse verbunden ist, steigt daraufhin. Der Ruhestrom der PowerPath- Bausteine beträgt typischerweise weniger als 50 µA, weshalb ein 2-kOhm-Widerstand einen Anstieg der nominalen Spannung an Masse um nur 0,1 V ergibt. Dies erhöht die minimale Betriebsspannung um den Spannungsabfall am Widerstand oder ungefähr 0,1 V. Dieser Massewiderstand muss eine ausreichende Belastbarkeit (V2/R) für die Schaltung aufweisen. Der LTC4412HV erzeugt z.B. mit einer 36-V-Zener-Diode und 80 V Eingangsspannung 44 V Spannungsabfall am Widerstand. Die Belastbarkeit des Widerstands ist gleich (44V)²/2kOhm oder rund 1W. Wenn die 80 V nur während Spannungsspitzen auftreten, kann die Belastbarkeit des Widerstands verringert werden. Der Masse-Pin des PowerPath- ICs liegt auf positivem Potenzial, wenn die Eingangsversorgungsspannung die Klemmspannung der Zener-Diode übersteigt. Dieser Massepegel kann über einen 100-kOhm-Widerstand an den Eingang eines Mikroprozessors angelegt werden, um das Steuersignal für das System zu liefern. Die Spannung am Überspannungs-Zustands-Pin kann ziemlich groß sein, was zu viel Strom in den Eingangs- Pin des Mikroprozessors speisen kann. Eine Schottky-Diode kann zwischen dem 100-kOhm- Widerstand und der Systemversorgung eingefügt werden, um diesen Pegel, falls erforderlich, zu klemmen. Wenn die Eingangsversorgung von einer Diodenspannung unter Massepotenzial geliefert wird, leitet die Zener-Diode. Dies zieht den Anschluss des Massewiderstands innerhalb einer Diode auf die negative Versorgungsspannung. Das Bauteil erkennt praktisch keine externe Spannung zwischen den Masse- und Eingangs-Pins. Die maximale negative Versorgungsspannung ist durch den maximalen Spannungsunterschied zwischen VIN und dem Sense-Pin begrenzt. Beim LTC412HV und LTC4414 ist diese Grenze 40 V. Der LTC4411 hat eine maximale negative Spannung von – 0,3 V. Die Vorwärtsspannung der Zener-Diode kann zu groß sein, um den minimalen Strom im IC unter negativen Versorgungsspannungsbedingungen zu sichern. Wenn dieser Strom zu groß ist, kann eine Schottky- Diode parallel zur Zener-Diode eingesetzt werden. Die Sperr- Durchbruchspannung dieser Schottky-Diode muss größer sein, als die Durchbruchspannung der Zener-Diode von 5 V. Die Vorwärtsspannung der Schottky-Diode beträgt weniger als 0,3 V, vorausgesetzt, es gibt keine exzessiven Ströme im IC. Und noch einmal, die maximal erlaubte negative Spannung ist das Maximum zwischen IN und OUT oder 6 V. Zusammenfassung Die hier präsentierte Schaltungstechnik erweitert den Spannungsbereich der PowerPath- Produkte von Linear Technology und vergrößert damit auch ihren Anwendungsbereich über den in ihren Datenblättern spezifizierten Spannungsbereich hinaus. hf-praxis 7/2012 11
