gesponsertNano-Impulssteuerung ROHM entwickelt Ultra-Hochgeschwindigkeits-Pulssteuerungstechnologie für 48V-DC-DC-Wandler

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ROHM Semiconductor GmbH

48-Volt-Stromversorgungssysteme sind in verschiedenen Branchen weit verbreitet, z. B. in Basisstationen für drahtlose Kommunikation, Industrierobotern und Notstromversorgungen für Gabelstapler. Strenge CO₂-Emissionsvorschriften sollen die Einführung im Automobilsektor beschleunigen.

Die 2020 in Europa eingeführten CO2 -Emissionsvorschriften haben das Aufkommen von Mild-Hybrid-Fahrzeugen (HEVs) gefördert. Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Entwicklung ist das Stromversorgungssystem. Bislang wurden HEVs mit 12Volt Gleichstrom betrieben. Deutschland und andere europäische Automobilhersteller bemühen sich jedoch verstärkt um den Übergang zu einem 48-Volt-Stromversorgungssystem. Warum die Erhöhung der Spannung von 12Volt auf 48Volt? Zunächst einmal ermöglicht 48Volt eine höhere Leistung des Antriebsmotors bei geringerer Größe. Außerdem können Komponenten wie elektromagnetische Spulen und Motoren für die Klimaanlage, elektrische Fensterheber und Scheibenwischer miniaturisiert werden.

Die Internationale Organisation für Normung (ISO) hat auch 48-Volt-Systeme genormt.. Die ISO 21780 legt die Anforderungen und Prüfverfahren für elektrische und elektronische Komponenten fest, die in 48-Volt-Stromversorgungssystemen für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Dieses Umfeld veranlasst viele Automobilhersteller zu dieser Umstellung.

Herausforderungen bei der Umwandlung von 48V in 3,3V

Der Übergang zu einem 48-Volt-Stromversorgungssystem stellt eine erhebliche Herausforderung dar: die Versorgung der Steuergeräte in HEVs mit niedrigen Gleichspannungen wie 3,3 oder 2,5 Volt.Die Umstellung von hohen auf niedrige Gleichspannungen hat sich bisher als problematisch erwiesen.

Die Verwendung herkömmlicher DC-DC-Wandler zur Herabsetzung von 48Volt-Eingangsspannung auf 3,3Volt-Ausgangsspannung erfordert einen zweistufigen Prozess. Zunächst werden die 48Volt auf eine Zwischenspannung von 12V bei einer Schaltfrequenz von 2,2 MHz (zur Vermeidung von Interferenzen mit dem AM-Rundfunkband) herabgesetzt. Die nächste Stufe wandelt die 12 Volt-Eingangsspannung in 3,3 Volt um. Dies bedeutet, dass zwei DC-DC-Wandler benötigt werden, die jeweils einen eigenen Leistungs-IC benötigen – einer mehr als bei bestehenden 12 Volt-Systemen.

Anforderungen an das IC-Netzteil

Die Aufgabe der Stromversorgungs-ICs besteht darin, die von einer Batterie oder einer anderen Quelle gelieferte Spannung in eine stabile Spannung umzuwandeln, die den ordnungsgemäßen Betrieb elektronischer Schaltungen und Halbleitergeräte ermöglicht. Dies muss mit so wenigen Bauteilen wie möglich geschehen, da zusätzliche Teile aus Platzgründen inakzeptabel sind. Daher besteht ein erheblicher Bedarf an DC-DC-Wandlern mit einem breiten Abwärtsspannungsbereich, die in der Lage sind, eine 48-Volt-Batteriespannung direkt auf Ausgangsspannungen von bis zu 3,3Volt abzusenken.

Wie kann also der Abwärtsbereich eines DC-DC-Wandlers erweitert werden? Der Schlüssel liegt in der Pulsbreite, die das Timing des Schaltvorgangs steuert. Je schmaler die Pulsbreite, desto kleiner das Tastverhältnis und desto größer der Abwärtsbereich. Umgekehrt gilt: Je größer die Impulsbreite, desto länger die Einschaltzeit und desto größer das Tastverhältnis, was zu einem engeren Abwärtsbereich führt.

Eine verringerte Impulsbreite erhöht die Störanfälligkeit. Ein praktischer Einsatz ist nur möglich, wenn Maßnahmen zur Stabilisierung der Wellenform bei Rauschen getroffen werden.Angesichts dieser Herausforderungen ist die Entwicklung eines Leistungs-ICs, der direkt von 48Volt auf 3,3Volt herunterschalten kann, äußerst schwierig.

Die Verwendung von zwei Stromversorgungs-ICs ermöglicht natürlich eine direkte Absenkung von 48Volt auf 3,3Volt, aber wie bereits erwähnt, ist eine Erhöhung der Anzahl der ICs nicht zulässig.

Eine neue Technologie, die diese Herausforderungen meistert

Zur Verbesserung der Leistung von Stromversorgungs-ICs muss die Pulsbreite optimiert werden. Eine neuartige Technologie ist aufgetaucht, mit der dies möglich ist. Die vom japanischen Halbleiterhersteller ROHM entwickelte Nano Pulse Control™ ermöglicht den Betrieb mit einer extrem kurzen Einschaltdauer von nur 9ns. Stromversorgungs-ICs, die diese Technologie enthalten, sind bereits auf dem Markt.

Dadurch ist eine direkte Abwärtsregelung von Eingangsspannungen bis zu 48 Volt auf 3,3 Volt oder sogar 1,2 Volt möglich. So entfällt die Notwendigkeit eines zweistufigen Prozesses, und es wird nur ein Stromversorgungs-IC benötigt. Mit anderen Worten, ein "Ein-Chip-Design" wird realisierbar. Darüber hinaus ermöglichen Schaltfrequenzen von bis zu 4MHz eine Miniaturisierung externer Komponenten wie Spulen.

Stromversorgungs-ICs mit Nano Pulse Control™ sind ideal für 48-Volt-Stromversorgungssysteme in Kraftfahrzeugen. Natürlich können sie auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen 48-Volt-Systeme erwartet werden, z. B. in Industrieanlagen, Robotern und Gabelstaplern.

Leistung von GaN-Bauelementen maximieren

Die Anwendbarkeit von Nano Pulse Control™ geht über 48-Volt-Stromversorgungssysteme hinaus. ROHM treibt diese Technologie weiter voran, indem es sie in Leistungssteuerungs-ICs für GaN-Bauteile einbaut. GaN zeichnet sich durch hervorragende Schalteigenschaften aus, die einen extrem schnellen Schaltbetrieb ermöglichen. Aus diesem Grund wird es zunehmend in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Bislang gab es jedoch keine Leistungssteuerungs-ICs, die für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet waren und die Vorteile von GaN voll ausschöpfen konnten. Die Verwendung von Nano Pulse Control™ ermöglicht es, die Leistung von GaN-Bauelementen zu maximieren, die nach Ansicht von ROHM kurz vor einem großen Durchbruch stehen.

ROHM entwickelt und vertreibt auch GaN-Bauelemente unter der Marke EcoGaN™. Diese Produkte zeichnen sich durch einen niedrigen ON-Widerstand und eine hohe Schaltleistung aus, was zu Energieeinsparungen bei gleichzeitiger Verkleinerung der Leistungsschaltungen führt. Durch die Kombination von EcoGaN™ mit Nano Pulse Control™ kann ROHM die Montagefläche um 86 % reduzieren und so eine erhebliche Miniaturisierung erreichen.

ROHM bietet derzeit EcoGaN™-DC-DC-Steuer-ICs an, die Nano Pulse Control™ zur Ansteuerung von GaN-Bauelementen verwenden. Die Integration von EcoGaN™ ermöglicht eine erhebliche Verringerung des Stromverbrauchs und der Größe in einer Reihe von Anwendungen, darunter Mobilfunk-Basisstationen, Rechenzentren, FA-Ausrüstung und Drohnen.

Innovative 'Nano'-Stromversorgungstechnologien ermöglichen beispiellose Energieeinsparungen und Miniaturisierung

Neben der Nano Pulse Control™ verfügt die Nano-Serie von ROHM über zwei weitere bahnbrechende Technologien: Nano Energy™ und Nano Cap™. Nano Energy™ ist eine Technologie mit ultraniedrigem Stromverbrauch, die eine industrieweit niedrige Stromaufnahme von 180nA für Stromversorgungs-ICs zusammen mit einer Umwandlungseffizienz von bis zu 90 % bei einem Laststrom von 10uA erreicht. Nano Cap™ ist eine stabile Steuerungstechnologie, die Spannungsschwankungen innerhalb von ±5% unterdrückt, selbst wenn die Ausgangskapazität um ein Zehntel reduziert wird. Diese drei proprietären Technologien wurden bereits in verschiedene analoge ICs integriert, darunter Gate-Treiber, Power-Management-ICs, Operationsverstärker und Komparatoren.

Technologie vorantreiben und Grenzen überschreiten

Vor der Entwicklung von Nano Pulse Control™ betrug die Pulsbreite der Stromversorgungs-ICs von ROHM 120ns. Doch die unermüdlichen Anstrengungen zur Verbesserung der Leistung haben ROHM an die Spitze der Branche katapultiert. Da die Anforderungen des Marktes in Bezug auf Energieeffizienz, Miniaturisierung, verbesserte Sicherheit, geringen Stromverbrauch und höhere Funktionalität weiter steigen, könnten Technologien, die derzeit an ihre Grenzen stoßen, in Zukunft durchaus übertroffen werden.

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