EEPW Kina – frågor & svar rörande marknadstrender inom fordonselektronik

Fråga1: Vad är trenden inom kraftprodukter för denna tillämpning? Fordonsmarknaden är en slutmarknad som Linear Technology fokuserar på. Marknaden har vuxit till 20% av den totala försäljningen under det senaste budgetåret, och växer hela tiden snabbare än företagets sammanlagda tillväxt. Mycket av den innovation och differentiering som sker inom fordonsindustrin har sitt ursprung i fordonselektronik. Behovet av förbättrad säkerhet, bränsleutnyttjande och bekvämlighet innebär stora möjligheter. Spridningen av hybrid- och helt elektriska fordon kommer att stadigt driva behovet av innovativa analoga produkter. Utöver en ökad mängd fordonselektronik förväntas den underliggande världsmarknaden för fordon också att växa i stadig takt. Det finns många tillämpningar inom fordonselektroniksystem som kräver kontinuerlig kraft även när fordonet är parkerat, som exempelvis nyckellösa fjärrlås, säkerhetsfunktioner och även personliga informations- och underhållningssystem, som vanligtvis inkluderar funktioner för navigering, GPS och e-samtal. Det är kanske inte alltid lätt att förstå varför dessa system måste fortsätta att vara på även när bilen inte är i rörelse, men GPS-delen av detta system måste vara “alltid på” av nödsituations- och säkerhetsskäl. Detta är ett nödvändigt krav för att viss enkel styrning ska kunna användas externt vid behov. Ett viktigt krav för dessa tillämpningar är låg viloström för utökad batterilivslängd. Linear Technology har tillverkat switchregulatorer med viloström i standby-läge på mindre än 5 A. Som ett resultat är dessa produkter väl positionerade att användas av Kinas fordonselektroniktillverkare.

Tony Armstrong, Director of Product Marketing Power Products; Linear Technology Corporation

I flertalet fordonsmiljöer ersätter switchregulatorer vanligtvis linjära regulatorer inom områden där låg värmeavgivning och god verkningsgrad värdesätts. Dessutom är switchregulatorn normalt den första aktiva komponenten på inspänningens busslinje och påverkar därmed kraftigt EMI-prestandan för hela konstruktionen. Filter används ofta för att minska EMI genom att dämpa styrkan vid en viss frekvens eller över ett frekvensområde. En del av den energi som går genom luften (strålad) dämpas av extra metall- och magnetskärmar. Den del som färdas på PCB-spår (ledningsbunden) kan tämjas genom tillägg av ferritpärlor och andra filter. EMI kan inte elimineras helt men kan dämpas till en nivå som är acceptabel för annan kommunikation, signalbehandling och digitala komponenter. Elektronikinnehållet i fordon kommer att fortsätta att öka oavsett hur många bilar som säljs per år. Och utvecklingen mot hybrid- och elbilar driver på marknaden ytterligare. Med batteriernas ökade popularitet som kraftkälla följer ett lika stort behov av att deras användbara livslängd maximeras. Obalanserade batterier, en skillnad på laddning hos individuella celler i ett batteripaket, är ett problem i stora litiumbatteripaket som orsakas av variationer i tillverkningsprocessen, driftsförhållanden och åldrande batterier. Obalansen kan minska den totala kapaciteten hos ett batteripaket och kan potentiellt skada det. Vid obalans hänger batterierna inte längre med från laddningsläge till urladdningsläge och utan noga övervakning kan det resultera i att cellerna laddas eller urladdas för mycket, vilket leder till permanenta skador på cellerna. De batterier som används i batteripaket för hybrid- och elbilar sorteras av batteritillverkaren efter kapacitet och internt motstånd för att minska variationerna från en cell till en annan i en viss sändning som skickats till en kund. Fordonsbatteripaketen byggs sedan med noga utvalda batterier för att förbättra den sammanlagda passningen mellan cellerna i ett paket. Teoretiskt borde detta förhindra att kraftig obalans utvecklas i batteripaketet, men trots det är den allmänna meningen att både batteriövervakning och batteribalansering krävs när stora batteripaket byggs för att bibehålla hög batterikapacitet under batteripaketets hela livslängd. Det är här som Linears nya produktfamiljer för batterihanteringssystem (BMS) är uppskattade. De hör nu till det fåtal BMS-produkter som används i de bilar och bussar som tillverkas och körs på våra vägar. Fråga 2: Vilka kraftkretsinnovationer görs inom segmentet? Eftersom fordonsmarknaden är en viktig marknad för Linear Technology ägnar vi en stor mängd konstruktionsresurser på att utveckla produkter som löser de problem som beskrivs ovan i svaret till fråga 1. Den beprövade och verkliga lösningen på EMI-problem är exempelvis att använda en skärmande låda för hela kretsen, och även då förhindrar skärmningen inte koppling till känsliga kretsar inne i lådan. Detta ökar givetvis kostnaden, kräver mer kortutrymme, försvårar värmehanteringen och testningen samt innebär en merkostnad för extra montering. En annan vanlig metod är att minska hastigheten på omslagsflankerna. Detta minskar dock verkningsgraden, ökar minsta på- och av-tid och tillhörande dödtid, samt påverkar strömstyrslingans potentiella hastighet. För några år sedan presenterade Linear Technology Silent Switcher®-regulatorn LT8614, som ger de önskade effekterna av en skärmande låda utan att använda en, samtidigt som den också utesluter många av de nackdelar som nämnts ovan. Trots det använder kraftkonstruktörer ogärna induktansbaserade regulatorer i vissa bruskänsliga tillämpningar på grund av den EMI-emission dessa medför. Samtidigt kan användningen av en linjär regulator (LDO) vara uteslutet på grund av dess relativt låga verkningsgrad för omvandling och behovet av värmesänkning. Detta leder till att de tar till ett vanligt alternativ, en laddningspump. Därför lanserade vi LTC3245 och LTC3260 för att ge konstruktörer ytterligare en praktisk och alternativ lösning som är ett mellanting mellan de redan omnämnda tillvägagångssätten. Figur 1. LTC3245s kretsschema ger en fast utspänning på 5 V från inspänning på 2,7 V till 38 V Fråga 3: Vilka fördelar ger Linears kraftprodukt och -lösning? Är det möjligt för företaget att dela med sig av denna innovativa lösning? LTC3245 är en “buck/boost”-regulator som undviker behovet av en traditionell induktans och istället utnyttjar en laddningspump med switchad kondensator. Dess inspänningsområde är 2,7 V till 38 V och den kan användas utan återkopplingsdelare (feedback divider) för att ge en av två fasta utspänningar, 3,3 V eller 5 V, eller programmeras via en återkopplingsdelare till vilken utspänning som helst mellan 2,5 V och 5,5 V. Högsta utström är 250 mA.

Figur 2. LTC3245s verkningsgrad/effektförlust för 12 V inspänning till 5 V utspänning

LTC3245 kan reglera en spänning över eller under inspänningen, vilket gör att den kan tillgodose kraven för exempelvis kallstart av fordon. Se figur 1 för fullständigt kretsschema. Denna laddningspump klarar att nå verkningsgrader på 80% vid utspänning 5 V och 100 mA last från en 12 V källa, nästan två gånger högre än en linjär regulator, vilket gör det möjligt att undvika de utrymmes- och kostnadskrav som en LDO med värmesänka ställer. Den ger nästan tre gånger mindre kraftförluster vid full last jämfört med en LDO. Kurvorna i figur 2 visar LTC3245s verkningsgrad och effektförlust. LTC3245 har även utmärkt prestanda för strålad och ledningsbunden EMI, såsom visas i figur 3a och 3b. Mätningarna gjordes i en mikrokammare enligt CISPR22 och CISPR25. Som synes har LTC3245, när den är ordentligt avkopplad, inga problem med att uppfylla myndigheternas regler för strålad och ledningsbunden emission. Figur 3. Strålad (a) och ledningsbunden (b) emission för LTC3245I många industri-, medicin- och fordonstillämpningar behövs ofta matning av dubbel polaritet för att driva elektronik som exempelvis operationsförstärkare, drivkretsar och sensorer. Dubbelpolär matning finns dock sällan tillgänglig vid lasten (POL). Det var på grund av det behovet och bristen på en lättanvänd lösning, som Linear Technology utvecklade LTC3260. LTC3260 är en DC/DC-omvandlare baserad på en inverterande laddningspump åtföljd av dubbla lågbrusiga LDO-regulatorer som kan ge positiv och negativ matning från en enda inspänningskälla på mellan 4,5 V och 32 V, såsom visas i kretsschemat i figur 4. Den kan switcha mellan Burst Mode®-funktion med hög verkningsgrad och lågbrusigt frekvensläge med konstant ström, vilket möjliggör för konstruktören att göra optimalt avvägda kompromisser för tillämpningen. LTC3260 kan strömmata upp till 100 mA från den inverterade inspänningen vid sin laddningspumputgång, VUT. Denna VUT tjänar också som ingång till en negativ LDO-regulator, LDO-. Laddningspumpens frekvens kan justeras mellan 50 kHz och 500 kHz med ett enda motstånd. Vardera av LTC3260s LDOer stöder laster på upp till 50 mA. Och, varje LDO har en “dropout”-spänning på 300 mV vid 50 mA, och en motståndsdelare möjliggör inställning av utspänningen. I avstängt läge, när båda regulatorerna är inaktiva, är viloströmmen endast 2 µA. Figur 4. Inspänning på 12 V till utspänning på ±5 V ----- Författare: Tony Armstrong, Produktmarknadsdirektör kraftprodukter; © Linear Technology Corporation