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2-2012

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HF-Praxis 2/2012

Applikation Bild 2:

Applikation Bild 2: Spannungsverlauf am LTC3890, wenn er im Burst-Modus betrieben wird nung arbeiten können, und die speziell viele der Schlüsselprobleme in Automobilen, Militärfahrzeugen und Lastkraftwagen lösen, die beschrieben wurden. Bild 1 zeigt eine Blockschaltung des LTC3890, der in einer Anwendung arbeitet, die eine Eingangsspannung von 9 V bis 60 V auf Ausgänge mit 3,3 V/5 A und 8,5 V/3 A umsetzt. Vorstellung des LTC3890 Der LTC3890/-1 ist ein synchroner Hochspannungs-Abwärtswandler mit zwei Ausgängen, der nur 50 µA zieht, wenn ein Ausgang aktiviert ist und 60 µA, wenn beide Ausgänge aktiv sind. Wenn beide Ausgänge abgeschaltet sind, zieht der LTC3890 nur 14 µA. Der Eingang verträgt 4 V bis 60 V Versorgungsspannung und ist so entwickelt, dass er gegen hohe Spannungsspitzen geschützt ist und einen kontinuierlichen Betrieb während des Kaltstarts von Automobilen und Lastkraftwagen sicherstellt. Darüber hinaus arbeitet er mit einer Vielzahl unterschiedlicher Eingangsspannungsquellen und Batterietypen. Jeder Ausgang kann zwischen 0,8 V und 24 V mit einem Ausgangsstrom von bis zu 25 A eingestellt werden. Dabei hat er einen Wirkungsgrad bis zu 98%, was ihn sehr gut für den Einsatz in 12-V-, 24-V- und 28-V-Anwendungen in Automobilen, Lastkraftwagen, schweren Ausrüstungen und industriellen Steuerungen eignet. Der LTC3890/-1 arbeitet mit einer wählbaren festen Frequenz zwischen 50 kHz und 900 kHz, und kann über seine PLL mit einem externen Takt zwischen 75 kHz und 850 kHz synchronisiert werden. Der Anwender kann wählen zwischen kontinuierlichem Betrieb, Pulse-Skipping- Modus und dem Burst-Modus, der eine geringe Welligkeit der Ausgangsspannung bei kleiner Last sichert. Der Zweiphasenbetrieb des LTC3890 reduziert die Anforderungen an die Filterung und an die Kondensatoren. Seine Strommodusarchitektur liefert eine einfache Schleifenkompensation, schnelles Einschwingen und einen exzellenten Betriebsspannungsdurchgriff (Netzausregelung). Der Ausgangsstrom wird für einen maximalen Wirkungsgrad durch Messen des Spannungsabfalls über der Eingangsspule (DCR) bestimmt, oder über Einsatz eines optionalen Fühlwiderstands. Die rücklaufende Strombegrenzung limitiert die Wärmeentwicklung im MOSFET während Überlastbedingungen. Diese Eigenschaften, kombiniert mit einer minimalen Ein-Zeit, machen diesen Wandler zu einer idealen Wahl für Applikationen mit hohen Abwärtswandel-Verhältnissen. Der Baustein ist in zwei Versionen erhältlich: Der LTC3890 ist das Bauteil mit vollem Funktionsumfang, einem Taktausgang, Taktphasenmodulation, zwei separaten Power-Good-Ausgängen und einstellbaren Strombegrenzungen. Der LTC3890-1 hat alle diese zusätzlichen Funktionen nicht und wird im SSOP- Gehäuse mit 28 Pins angeboten. Der LTC3890 ist im QFN- Gehäuse mit 5 mm x 5 mm Kantenlänge und 35 Anschlüssen untergebracht. Beide Versionen sind in H-Grade und MP-Grade verfügbar, die eine Betriebssperrschichttemperatur von – 40 °C bis 150 °C bzw. -55 °C bis 150 °C vertragen. Burst-, Puls-Skippingund erzwungener kontinuierlicher Betrieb Der LTC3890/-1 kann aktiviert werden für den Burst-Betrieb, Puls-Skipping mit fester Frequenz, oder bei kleinen Lastströmen für den Betrieb mit erzwungenem kontinuierlichen Stromfluss (CCM = continuous conduction mode). Wenn er für den Betrieb im Burst-Modus aktiviert ist und eine leichte Last anliegt, wird der Wandler einige Pulse ausstoßen, um die Ladespannung am Ausgangskondensator zu erhalten. Er schaltet dann den Wandler ab und geht in den Schlafmodus über, in dem die meisten seiner internen Schaltungen ausgeschaltet sind. Der Ausgangskondensator liefert den Laststrom, und wenn die Spannung am Ausgangskondensator unter einen programmierten Wert abfällt, schaltet sich der Wandler wieder ein und beginnt mehr Strom zu liefern, um die Ladespannung wieder zu übernehmen. Der Vorgang des Abschaltens und wieder Einschaltens der meisten seiner internen Schaltungen reduziert den Ruhestrom deutlich und hilft deshalb die Betriebszeit der Batterie in einem „immer eingeschalteten“ System zu maximieren, wenn das System nicht in Betrieb ist. Bild 2 zeigt das prinzipielle Zeitdiagramm der Spannung, wie diese Betriebsart arbeitet. Die Ausgangswelligkeit im Burst-Modus ist lastunabhängig, so dass sich nur die Länge des Schlaf-Intervalls ändert. Im Schlafzustand sind viele der internen Schaltungen abgeschaltet, außer denen, die wichtig für eine schnelle Reaktion sind, was den Ruhestrom weiter verringert. Wenn die Ausgangsspannung weit genug abfällt, geht das Schlafsignal auf „low“ und der Wandler wieder in den normalen Burst-Modus über, indem er den externen Top-MOSFET einschaltet. Alternativ gibt es Umstände in denen der Anwender bei kleinen Lastströmen im erzwungenen, kontinuierlichen oder Puls-Skipping-Modus mit fester Frequenz arbeiten möchte. Beide dieser Betriebsarten sind einfach zu konfigurieren, haben aber höhere Ruheströme und eine geringere Ausgangswelligkeit von Spitze zu Spitze. Darüber hinaus, wenn der Wandler für den Burst-Modus aktiviert ist, darf sich der Spulenstrom nicht umpolen. Der Komparator zum Erkennen der Umpolung, IR, schaltet den externen Bottom-MOSFET aus, gerade bevor der Spulenstrom den Wert „Null“ erreicht, was verhindert, dass er negativ wird. Deshalb arbeitet der Controller auch im diskontinuierlichen Betrieb, wenn er für den Burst-Betrieb konfiguriert ist. Im erzwungenen kontinuierlichen Betrieb, oder wenn er von einer externen Taktquelle gesteuert wird, darf sich der Spulenstrom jedoch bei kleiner Last oder bei hohen Spannungsspitzen umkehren. Der kontinuierliche Betrieb hat den Vorteil einer geringeren Welligkeit der Ausgangsspannung und resultiert in höherem Ruhestrom. Überstromschutz Ein schneller und guter Schutz durch Strombegrenzung ist essenziell in Hochspannungs- Stromversorgungen. Wegen der hohen Spannung an der Spule, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist, kann die Spule schnell in die Sättigung kommen, was extrem hohe Ströme fließen lässt. Der LTC3890/-1 hat die Option, entweder einen Fühlsensor, in Reihe mit dem Ausgang geschaltet, zu verwenden, 40 hf-praxis 2/2012

Applikation Bild 3: Wirkungsgradkurven des LTC3890 an den 8,5-V- und 3,3-V-Ausgängen bei 12 V Eingangsspannung oder den Spannungsabfall an der Ausgangsspule zu erfassen, um den Ausgangsstrom zu messen. Bei beiden Methoden wird der Ausgangsstrom kontinuierlich gemessen und liefert die beste Schutzwirkung. Alternative Designs können den RDS(ON) des Top- oder Bottom-MOSFETs nutzen, um den Ausgangsstrom zu messen. Dies erzeugt jedoch ein Zeitfenster innerhalb des Schaltzyklus, in dem der Controller „blind“ ist, bezüglich wie hoch der Ausgangsstrom ist und könnte einen Fehler des Controllers verursachen. Starke Gate-Treiber Schaltverluste sind proportional zum Quadrat der Eingangsspannung, und diese Verluste können in Applikationen mit hoher Eingangsspannung mit einem ungeeigneten Gate-Treiber dominieren. Der LTC3890/-1 besitzt interne leistungsfähige 1,1-Ohm- N-Kanal-MOSFET-Gate-Treiber, die die Übergangszeiten und Schaltverluste minimieren und damit den Wirkungsgrad maximieren. Zusätzlich können sie in Hochstromapplikationen mehrere parallele MOSFETs gleichzeitig treiben. Wirkungsgrad Die Wirkungsgradkurven des LTC3890 in Bild 3 sind repräsentativ für die Schaltung in Bild 1 mit 12 V Eingangsspannung. Wie dargestellt hat der 8,5-V-Ausgang einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 98%. Der 3,3-V-Ausgang liegt auch über 90% Wirkungsgrad. Darüber hinaus hat dieses Design wegen des Betriebs im Burst-Modus bei einer 1-mA- Last immer noch über 75% Wirkungsgrad an jedem Ausgang. Schnelle Einschwingzeit Der LTC3890 nutzt für die Rückkopplung der Spannung einen schnellen Operationsverstärker mit 25 MHz Bandbreite. Die große Bandbreite des Verstärkers, zusammen mit den hohen Schaltfrequenzen und Spulen mit kleinen Werten, erlauben eine sehr hohe Verstärkungs- Trennfrequenz. Dies ermöglicht es, das Kompensationsnetz für sehr schnelle Einschwingzeiten zu optimieren. Bild 4 illustriert das Einschwingen für einen 4-A-Lastschritt am 3,3-V-Aus- gangmit weniger als 100 mV Abweichung vom Nennwert. Zusammenfassung Der LTC3890 verfügt über Eigenschaften, die ihn zu einer exzellenten Wahl für den Einsatz in Stromversorgungsapplikationen in rauer militärischer Umgebung machen. Er ermöglicht völlig neue Leistungsbereiche bezüglich eines sicheren und verlustleistungsarmen Betriebs in rauen Umgebungen mit hohen Spannungsspitzen und großen Temperaturbereichen. Eigenschaften, die eine Eingangsspannung von 60 V mit einschließen, machen ihn gut geeignet für Anwendungen in Militärfahrzeugen und schwerer militärischer Ausrüstung. Sein Bild 4: Einschwingzeit für einen 4-A-Lastschritt geringer Ruhestrom erhält die Energie in der Batterie während des Schlaf-Modus und ermöglicht somit eine längere Batteriebetriebsdauer. Eine sehr sinnvolle Eigenschaft in Bussystemen die „immer eingeschaltet“ sind. Schließlich ist der LTC3890 auf eine Vielzahl von Ausgangsspannungen bis maximal 24 V einstellbar. Alternativ erlaubt es seine kleine minimale Ein-Zeit, ihn auch in Applikationen mit sehr hohen Abwärtswandelschritten einzusetzen. Die Fähigkeit Eingangsspannungen von 60 V direkt abwärts zu wandeln, ohne einen großen Trafo oder externe Schutzschaltungen zu benötigen, führen zu einer einfacheren, zuverlässigeren und kompakten Lösung. ◄ hf-praxis 2/2012 41

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