Kfz-Stromversorgungen Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen (Teil 1)

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Der beim Motorstart entstehende Spannungseinbruch kann mit einem so genannten Pre-Booster vermieden werden – einem Aufwärtswandler, der dem eigentlichen System vorangeschaltet ist.

Hier in Teil 1 des Beitrags wird das Problem des Spannungseinbruchs beim Motorstart beschrieben, die Auswirkungen eines Kaltstart-Prüfimpulses auf eine Automotive-Stromversorgung gezeigt und eine typische Spezifikation für einen Pre-Booster behandelt.

In Teil 2 werden Sie Ratschläge zur richtigen Auswahl aller benötigten Bauelemente erhalten. Weitere Themen sind die Reaktion eines Pre-Boosters auf einen Kaltstark-Prüfimpuls und die Auswirkungen seines Fehlerverstärkers.

Im später folgenden Teil 3 schließlich wird es um die Unterschiede zwischen den Betriebsarten und die Auswirkungen der Induktivität und der Kapazität auf die Leistungsfähigkeit gehen.

Eine stabile Bordnetzspannung ist enorm wichtig

Jede neue Generation moderner Automobile wartet mit immer mehr elektronischen Assistenz- und Komfortfunktionen auf. Einige dieser Ausstattungen, darunter auch die Fahrerassistenzsysteme, tragen mit Radarsensoren und Kameras zur Verbesserung der Sicherheit bei, während andere Subsysteme wie etwa Infotainment-Applikationen für ein entspannteres Fahren sorgen. Das gemeinsame Merkmal all dieser Systeme ist, dass sie aus dem Bordnetz des Fahrzeugs und somit aus der Autobatterie versorgt werden.

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Eine stabile Bordnetzspannung kann indes nicht zu allen Zeiten garantiert werden, zumal immer mehr Autos zur Kraftstoffeinsparung mit Start-/Stopp-Automatiken ausgerüstet werden. Während der Anlasser den Motor startet, entsteht wegen der hohen Ströme und des Innenwiderstands der Batterie unweigerlich ein Einbruch der Bordnetzspannung.

Je nach Qualität und Temperatur der Batterie kann dieser Spannungseinbruch so gravierend sein, dass die elektronischen Systeme ihren Dienst einstellen. Solange es sich dabei um Komfort- oder Infotainmentsysteme handelt, stellt dies kein Sicherheitsproblem dar. Wenn aber die Ampel wieder auf grün schaltet und das Gaspedal betätigt wird, ist es nicht hinnehmbar, dass die zuvor heruntergefahrenen Sicherheitssysteme zunächst neu gestartet werden müssen.

Aber auch bei Infotainment- oder Navigationssystemen wäre es unangenehm, wenn nach jedem Halt die CD-Wiedergabe erneut beim ersten Lied anfangen würde oder das Navigationsziel neu eingegeben werden müsste. Um solche Unterbrechungen zu vermeiden, bieten sich verschiedene Optionen an. Kritische elektronische Systeme können entweder durch einen kontinuierlich schaltenden Buck-Boost-Wandler gespeist werden oder durch einen so genannten Pre-Booster. Bei letzterem handelt es sich um einen Aufwärtswandler (Boost Converter), der dem eigentlichen System vorangeschaltet wird und eine Spannung liefert, die hoch genug ist, um ein Abschalten des jeweiligen Systems auch bei Schwankungen der Bordnetzspannung auszuschließen.

Das Design eines solchen Pre-Boosters mag auf den ersten Blick trivial erscheinen. Die Schwierigkeiten stellen sich jedoch ein, sobald einwandfreie Performance und niedrige Kosten gefordert sind. Hier gilt es mehrere Vorbedingungen zu berücksichtigen, und außerdem hängt die Performance von verschiedenen Bauteilen ab.

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