System-Stromversorgungsarchitekturen für Body-Control-Module

Die Funktionen, die in modernen Kraftfahrzeugen dem Komfort und der Zweckmäßigkeit dienen, basieren auf so genannten Body-Control-Modulen. Doch worauf kommt es bei der Stromversorgung der in ihnen verbauten Halbleiter an?

Die Funktionen, die in modernen Kraftfahrzeugen dem Komfort und der Zweckmäßigkeit dienen, basieren auf so genannten Body-Control-Modulen (BCMs). Diese sind gleichsam hinter den Kulissen tätig und für Dinge wie die Front- und Heckbeleuchtung, die Ambientebeleuchtung im Fahrzeuginnenraum, die Scheibenwischer usw. zuständig.

Sowohl die Anzahl der Body-Control-Module in einem Auto als auch die Zahl der Komfortfunktionen, die von den einzelnen BCMs gesteuert werden, variieren von einem Fahrzeugmodell zum anderen. Die Spanne reicht dabei von BCMs, die ausschließlich Beleuchtungsfunktionen steuern, bis zu solchen, die als Gateway fungieren und für den Zugang zum Fahrzeug zuständig sind. In jedem Fall hängen Anzahl und Komplexität der BCMs von der Architektur der Body-Elektronik des jeweiligen Fahrzeugs ab.

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Die Entwicklung bei den BCMs geht mit hohem Tempo weiter. Zum Beispiel werden die einfachen Verteilerkästen, die die Stromversorgung mithilfe von Relais an die verschiedenen Verbraucher verteilen, entweder in BCMs integriert oder zu BCM-ähnlichen Modulen gemacht, die das Verteilen der Stromversorgung mit kontaktlosen Halbleiterschaltern erledigen. Die wachsende Zahl von Komfortfunktionen im Auto führt ferner dazu, dass immer mehr Treibereingänge und Sensoren an die BCMs angeschlossen werden. Schließlich nehmen auch die Vernetzungs-Anforderungen der BCMs zu, da die Anzahl der speziellen Laststeuerungs-Module (beispielsweise für die Schiebedachbetätigung) wächst.

In Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines BCM mit Sensor- und Schalter-Schnittstellen, Kommunikations-Interfaces und Lasttreiberblöcken dargestellt. Der mit MCU (Mikrocontroller) bezeichnete Block steht als allgemeines Symbol für einen eingebetteten digitalen Prozessor mit verschiedenen Peripheriefunktionen.

Bedingt durch die unterschiedliche Komplexität der BCMs variiert auch die Zahl der in den BCMs verbauten aktiven Halbleiterbauteile, von denen jedes eine Stromversorgung benötigt, damit es funktionieren kann.

Ein einfaches BCM, das lediglich wenige Features unterstützt, enthält möglicherweise nur eine Handvoll Lasttreiber und eine Netzwerkschnittstelle, während ein komplexes, für die Steuerung mehrerer Features zuständiges BCM verschiedene Halbleiterbauelemente wie zum Beispiel Referenzen, Operationsverstärker, Multiplexer, Schnittstellen zum Erkennen des Zustands mehrerer Schalter, High-Side-Schalter und LED-Treiber enthalten kann.

Sämtliche aktiven Halbleiterbausteine in BCMs unterschiedlicher Komplexität haben eines gemeinsam: sie benötigen eine Stromversorgung, für die besondere Power-Management-Halbleiterbausteine zuständig sind.

Die Komplexität der Power-Management-Architektur hängt davon ab, wie komplex das BCM ist. Während für die Stromversorgung eines einfachen BCM ein einzelner Low-Dropout-Regler (LDO) ausreichen kann, sind für ein komplexeres BCM möglicherweise mehrere mehrstufige Schaltregler erforderlich. In allen Fällen aber bezieht jedes BCM seine elektrische Energie aus dem 12-V-Bordnetz des jeweiligen Fahrzeugs.

Anders ausgedrückt, erzeugen die Power-Management-Bausteine in einem BCM aus den 12 V des Fahrzeug-Bordnetzes die Spannungen, die für die verschiedenen Halbleiterbauelemente im BCM benötigt werden. Diese Spannungen betragen in der Regel zwischen 1,2 V und 5 V. Unabhängig davon, wie komplex die Stromversorgungs-Architektur ist, gibt es mindestens einen Power-Management-Baustein, der mit dem 12-V-Anschluss des BCM verbunden ist.

Die verschiedenen Stromversorgungs-Architekturen moderner BCMs sind Thema dieses Artikels.

Versorgung der Body-Control-Module

Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Power-Management-Architektur ist in Bild 2 dargestellt.

Die Zahl der Stromversorgungs-Ausgänge sowie die Spannung und der Strom an den einzelnen Ausgängen richten sich nach den im BCM vorhandenen aktiven Halbleiterbausteinen. Wenn das BCM zusätzlich für die Versorgung eines außerhalb des BCM befindlichen Sensors zuständig ist, muss der Power-Management-Baustein, der diese Versorgungsspannung erzeugt, fehlerbeständig sein.

Power-Management- Architekturen für BCMs

Um die Stromversorgung eines BCM zu planen, müssen zwei Dinge bekannt sein:

• Bei welchen Bordnetzbedingungen muss das BCM funktionieren?

• Welche Funktionen sind in das BCM integriert oder werden von ihm gesteuert?

Die Antworten auf diese Fragen helfen bei der Festlegung der besten Power-Management-Architektur für die Versorgung der verschiedenen integrierten Schaltungen (ICs) auf der Leiterplatte des BCM.

Die Entscheidung, bei welchen Bordnetzbedingungen das BCM funktionieren soll, hängt neben der allgemeinen Body-Architektur des Fahrzeugs auch davon ab, welche Verbraucher das BCM ansteuert. Wenn das BCM eine Vielzahl von Funktionen enthält, wie etwa Passive-Entry Passive-Start (PEPS), Remote Keyless Entry (RKE) oder das Reifendruck-Kontrollsystem (Tire-Pressure Monitoring System, TPMS), nimmt die Zahl der ICs auf der Leiterplatte des BCM ebenso zu wie die Verarbeitungsanforderungen, die an den Mikrocontroller gestellt werden. Letztendlich steigt dadurch auch der Leistungsbedarf des gesamten Systems.

Die LDO-Stromversorgungs-Architektur

Als einfachstes Power-Management-System für ein BCM ist eine rein auf LDOs basierende Architektur anzusehen. BCM-Designs, die mit einer solchen Architektur ausgestattet sind, müssen normalerweise nicht unter Kaltstartbedingungen oder im Start-Stopp-Betrieb funktionsfähig sein.

Ein mit einer reinen LDO-Stromversorgungsarchitektur ausgestattetes BCM enthält in der Regel keine zusätzlichen Funktionen wie etwa PEPS, RKE, TPMS und/oder Gateways. Ferner finden sich in solchen BCMs weniger Kommunikations-Transceiver beispielsweise für CAN (Controller Area Network) und LIN (Local Interconnect Network), und auch der Mikrocontroller hat einen niedrigeren Stromverbrauch. Wir wollen diese BCMs, die die am wenigsten komplexe Variante darstellen, als Basis-BCMs bezeichnen.

In einer reinen LDO-Architektur sind für alle benötigten Ausgangsspannungen LDOs mit weitem Eingangsspannungsbereich vorhanden. Bild 3 macht deutlich, wie einfach eine LDO-Stromversorgungsarchitektur ist. Das Layout für jeden LDO auf der Leiterplatte ist unkompliziert, zumal alle LDOs nur ein Kondensatorpaar und möglicherweise ein Widerstandspaar erfordern.

Ungeachtet der Vorteile einer LDO-Architektur, zu denen die geringeren EMI-Probleme, der geringere Platzbedarf und die einfachere Implementierung zählen, gilt es doch eine ganze Reihe weiterer Faktoren zu beachten. Zum Beispiel ist die Energieeffizienz von LDOs meist nicht sehr hoch, was wegen der hohen Verlustleistung zu thermischen Problemen führen kann. Eben wegen dieser thermischen Restriktionen ist ein LDO möglicherweise nicht die beste Option, wenn die BCM-Stromversorgungsarchitektur einen Strom von 400 mA oder mehr liefern muss. Hinzu kommt, dass LDOs während eines Kaltstarts oder im Start-Stopp-Betrieb wegen des Spannungsabfalls am LDO und an der Verpolungsschutzdiode nicht in der Lage sind, die CAN-Ausgangsspannung von 5 V aufrecht zu erhalten.

Stromversorgungs-Architektur mit einem Abwärtswandler oder -regler als erste Stufe

Abwärtsregler, LDO, Abwärtsregler

Ein Power-Management-System, das aus einem Abwärtswandler (Buck Converter) mit einem anschließenden LDO oder Abwärtsregler besteht, stellt eine flexible zweistufige Stromversorgungs-Architektur dar. Auf den als erste Stufe dienenden Abwärtswandler oder -regler schließt sich ein zweiter Abwärtswandler (LDO oder geschaltet) an. Bei der zweiten Stufe kann es sich um einen einzelnen LDO-Regler, einen einzelnen Abwärtswandler oder -regler oder eine Kombination aus beiden handeln. Ein Abwärtswandler oder -regler mit weitem Eingangsspannungsbereich stellt die erste Ausgangsspannung bereit, die dann an einen LDO/Abwärtswandler mit geringer Eingangsspannung gerichtet wird, von dem schließlich die Versorgungsspannung für den Mikrocontroller und die übrigen Bauelemente erzeugt wird.

BCMs mit einer solchen Stromversorgungs-Architektur können über zusätzliche integrierte Funktionen verfügen und benötigen dann mehr Strom auf einer oder mehreren Versorgungsspannungen. Bei BCMs mit einer solchen Stromversorgungs-Architektur kann es sich um Basis-BCMs oder Multifunktions-BCMs mit oder ohne Gateway-Funktionalität handeln.

Bild 4 veranschaulicht diese Architektur, die sich für die meisten komplexen BCMs eignet, da einfach weitere LDOs und/oder Abwärtswandler an den Ausgang der ersten Stufe angeschlossen werden können. Der als erste Stufe dienende Abwärtswandler oder -regler mit weitem Eingangsspannungsbereich wird so gewählt, dass er die Ausgangsspannung erzeugt, von der die höchste Leistung gefordert wird (meist 5 V). Dies verbessert die Energieeffizienz, da die Ausgangsspannung mit dem größten Leistungsbedarf nur eine Wandlerstufe durchlaufen muss, wodurch sich die Leitungs- und Schaltverluste verringern.

Solange der als erste Stufe fungierende Abwärtswandler den Leistungsbedarf des gesamten BCM decken kann, ist es unproblematisch, weitere DC/DC-Regler an den Ausgang dieser ersten Stufe anzuschließen. Aus Sicht des Gesamtsystems lassen sich auch zusätzliche Kommunikations-Transceiver beispielsweise für Ethernet in das BCM aufnehmen, ebenso wie verschiedene HF-ICs und leistungsfähigere MCUs. Es gibt also zahlreiche Optionen, den Anforderungen des jeweiligen BCM gerecht zu werden.

Stromversorgung mit Abwärts- und Aufwärtswandler

Die aus Abwärts- und Aufwärtswandler (Buck Converter und Boost Converter) gebildete Stromversorgungs-Architektur hat große Ähnlichkeit mit der soeben besprochenen Architektur. Allerdings gibt es zwei entscheidende Unterschiede:

• Wie der Name schon sagt, schließt sich an den eingangsseitigen Abwärtswandler mit weitem Eingangsspannungsbereich ein Aufwärtswandler mit niedriger Eingangsspannung an.

• Der Abwärtswandler liefert eine niedrigere Ausgangsspannung als in der vorigen Architektur, in der kein Aufwärtswandler vorkommt. BCMs mit einer aus Abwärts- und Aufwärtswandler bestehenden Stromversorgungs-Architektur sind deshalb auch im Start-Stopp-Betrieb einsatzbereit – in einigen Fällen auch bei Kaltstarts (dies hängt von der vom OEM geforderten Mindest-Eingangsspannung ab).

In einem BCM, das diese Stromversorgungs-Architektur enthält, kann ein Mikrocontroller mit höherem Leistungsbedarf verwendet werden, ebenso wie mehrere CAN- und LIN-Transceiver oder auch Basisstations-ICs für PEPS/RKE-Funktionen. Folglich kommt die Architektur aus Abwärts- und Aufwärtswandler für alle Arten von BCMs in Frage.

In Bild 5 ist zu sehen, dass an den Ausgang des eingangsseitigen Abwärtswandlers ein weiterer LDO oder Abwärtswandler angeschlossen werden kann. Die Energieeffizienz des Gesamtsystems verbessert sich dank der Verwendung zweier geschalteter Stromversorgungs-ICs. Darüber hinaus bietet die Buck-to-Boost-Architektur mehr Flexibilität zur Gestaltung einer individuellen, genau auf den Bedarf des jeweiligen BCM zugeschnittenen Stromversorgungs-Architektur.

Die Auswahl des eingangsseitigen Abwärtswandlers mit weitem Eingangsspannungsbereich und des Aufwärtswandlers mit niedriger Eingangsspannung erfolgt gemäß dem spezifischen Strombedarf des jeweiligen Systems.

Die Beschränkung auf nur einen Abwärtswandler mit weitem Eingangsspannungsbereich mit einem darauffolgenden Aufwärtswandler mit niedriger Eingangsspannung optimiert die Kosten der Stromversorgungs-Architektur. Wenn niedrigere Spannungen benötigt werden, besteht auch die Möglichkeit, weitere LDOs oder DC/DC-Regler an die Ausgänge der zweiten Stufe anzuschließen, um auf diese Weise Lösungen für BCMs zu entwickeln, die zahlreiche Spannungen oder viel Leistung erfordern.

Architekturen mit einem Abwärtswandler als erste Stufe bieten den Vorteil einer höheren Energieeffizienz und Designflexibilität. Dennoch dürfen ein paar Nachteile nicht verschwiegen werden:

• Alle geschalteten DC/DC-Wandler oder -Regler erfordern zusätzliche Filtermaßnahmen zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Aus demselben Grund ist bei der Planung des Leiterplatten-Layouts große Sorgfalt geboten.

• Durch das Hinzufügen weiterer DC/DC-Regler erhöhen sich die Materialkosten, denn es werden zusätzliche Kondensatoren und Widerstände für die EMI-Filter des eingangsseitigen Abwärtswandlers sowie die externen Bauelemente der DC/DC-Wandler benötigt. Während die aus einem Abwärtswandler und einem anschließenden LDO oder Buck-Wandler bestehende Lösung nicht für den Einsatz bei Kaltstarts sowie in einigen Fällen im Start-Stopp-Betrieb geeignet ist, ist die Buck/Boost-Architektur im Start-Stopp-Betrieb und unter Umständen auch bei Kaltstarts funktionsfähig.

Ein- bzw. zweistufige Buck/Boost-Stromversorgungs-Architektur

Ein Buck/Boost-Power-Management-System stellt eine ebenso einfache wie effektive Stromversorgungs-Architektur für ein BCM dar. Bedingt durch seine Buck/Boost-Architektur ist das System im Start/Stopp-Betrieb und auch bei Kaltstarts einsatzfähig. BCMs, für die eine Buck/Boost-Lösung in Frage kommt, sind meist eher einfacherer Natur, benötigen zwischen 1 A und 1,5 A und müssen auch bei Kaltstarts funktionieren. Gut geeignet ist diese Architektur für eigenständige BCMs, aber auch für solche mit Gateway-Funktionalität.

Die Einfachheit der Buck/Boost-Architektur wird in Bild 6 deutlich. Niedrigere Versorgungsspannungen für das System lassen sich mit zusätzlichen LDOs erzeugen. Um das IC herum werden nur eine Spule und einige Kondensatoren benötigt, sodass der Platzbedarf auf der Leiterplatte entsprechend geringer ausfällt. Nicht zu vergessen ist, dass Buck/Boost-Lösungen eine gute Energieeffizienz erzielen.

Die Buck/Boost-Schaltung allein könnte als einfache, platzsparende Lösung die Stromversorgung des gesamten BCM einschließlich der CAN- und LIN-Transceiver und des Mikrocontrollers übernehmen. Obwohl aber die Buck/Boost-Stromversorgungsarchitektur einfach zu implementieren ist und eine hohe Energieeffizienz bietet, müssen einige Aspekte beachtet werden:

• Wie bei anderen geschalteten Gleichspannungswandlern auch, erhöht die Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit die Materialkosten.

• Aus dem Blickwinkel der gesamten Stromversorgungs-Architektur betrachtet, schränkt eine Buck/Boost-Stromversorgungsarchitektur die Flexibilität ein, denn während andere Architekturen spezielle, genau auf den Strombedarf der Applikation zugeschnittene Kombinationen aus Buck- und Boost-Wandlern und LDOs ermöglichen, ist die Auswahl für die Designer bei einer Buck/Boost-Lösung begrenzt.

Ein- oder zweistufige SEPIC-Stromversorgungsarchitektur

Das in Bild 7 gezeigte Power-Management-System auf SEPIC-Basis (Single-Ended Primary Inductor Converter) ist eine weitere effektive und unkomplizierte Stromversorgungs-Architektur, die den Betrieb von BCMs auch unter Kaltstartbedingungen und im Start-Stopp-Betrieb ermöglicht.

Gegenüber der Buck/Boost-Topologie hat die SEPIC-Stromversorgungsarchitektur den Vorzug, dass sie nur einen einzigen Aufwärtsregler erfordert, was die IC-Kosten senkt. Eine SEPIC-Architektur eignet sich hervorragend für BCMs, die auch bei widrigsten Eingangsspannungs-Bedingungen funktionsfähig bleiben müssen.

Ein SEPIC-Wandler besitzt wie gerade erwähnt einen einzigen Boost-Controller, an dessen Ausgang je nach Bedarf verschiedene Buck-Wandler für niedrige Eingangsspannungen oder LDOs angeschlossen werden. Da in dieser Architektur ein Boost-Controller zum Einsatz kommt, werden ein externer FET, eine Diode und eine gekoppelte Induktivität (oder zwei einzelne Induktivitäten) benötigt. Abhängig von den jeweiligen Systemanforderungen lässt sich ein SEPIC-Wandler für unterschiedliche Leistungsbereiche und Ausgangsspannungen auslegen.

Obwohl die SEPIC-Stromversorgungsarchitektur den Vorteil hat, auch bei Kaltstarts und im Start-Stopp-Betrieb einsatzfähig zu sein und die IC-Kosten zu senken, muss eine ganze Reihe von Abstrichen gemacht werden. Zunächst einmal wird wegen der externen Induktivitäten, des FET und der Diode viel Platz benötigt, und außerdem sind SEPIC-Wandler weniger effizient als Buck/Boost-Wandler, weil ihre Schalt- und Leitungsverluste höher sind.

Stromversorgungs-Architektur mit einem Boost-Wandler oder -Regler als erste Stufe

Stromversorgungs-Architekturen, in denen ein Boost- oder Pre-Boost-Wandler als erste Stufe fungiert, werden für BCMs verwendet, die insbesondere unter Kaltstartbedingungen und im Start-Stopp-Betrieb funktionsfähig sein müssen. An den Pre-Boost-Wandler schließt sich ein LDO oder eine Buck-Stromversorgungsarchitektur an. Grundsätzlich kann eine Pre-Boost-Architektur für jedes BCM benutzt werden. Diejenigen BCMs aber, die zwingend eine Pre-Boost-Lösung erfordern, dürften für solche Funktionen im Fahrzeug zuständig sein, die auch während eines Kaltstarts benötigt werden.

Den Aufbau einer Pre-Boost-Stromversorgungsarchitektur zeigt Bild 8. Obwohl hier ein Boost-Wandler mit weitem Eingangsspannungsbereich verwendet wird, muss die auf den Boost-Wandler folgende Stufe ebenfalls einen großen Bereich von Eingangsspannungen unterstützen, denn der Boost-Wandler arbeitet nur dann, wenn die Bordnetzspannung unter die Nenn-Ausgangsspannung der Boost-Stufe fällt. Die Ausgangsspannung der Pre-Boost-Stufe bzw. die Zwischenspannung muss deshalb so gewählt werden, dass die nachfolgenden DC/DC-Regler einen optimalen Wirkungsgrad erreichen.

Im Unterschied zu Stromversorgungs-Strukturen, deren erste Stufe ein Buck-Wandler ist, müssen alle an den Ausgang der Boost-Stufe angeschlossenen DC/DC-Regler einen weiten Eingangsspannungsbereich besitzen. Das Hinzufügen weiterer DC/DC-Regler vergrößert außerdem den Platzbedarf der Stromversorgungs-Architektur, weil jeweils eine Induktivität und Ein- und Ausgangskondensatoren benötigt werden.

Als weiterer Aspekt spielt wie bei allen geschalteten DC/DC-Reglern auch hier das Thema EMV eine wichtige Rolle. Pre-Boost-Implementierungen werden deshalb nur dann gewählt, wenn es wirklich absolut notwendig ist, die Funktionsfähigkeit auch bei den bei Kaltstarts herrschenden, besonders niedrigen Bordnetzspannungen zu gewährleisten.

Stromversorgungs-Architekturen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Bedingt durch das Wachstum bei den Hybrid- und Elektrofahrzeugen ändern sich der Spannungsbereich, die Spannungsspitzen und die Lasten, die an das 12-V-Bordnetz angeschlossen werden. In Bild 9 sind beispielsweise der Anlasser und der Generator eines traditionellen Autos mit Verbrennungsmotor und 12-V-Bordnetz dargestellt, bei dem das BCM mit 12 V betrieben wird.

Im Gegensatz dazu kommt das in Bild 10 dargestellte 48-V-System in einem Hybridfahrzeug zum Einsatz, in dem die Starter/Generator-Kombination an das 48-V-Bordnetz angeschlossen ist, während das BCM nach wie vor vom 12-V-Bordnetz gespeist wird.

In 48-V-Hybridarchitekturen werden die vom 12-V-Bordnetz versorgten Steuergeräte (darunter auch die BCMs) mit weniger hohen Spannungsspitzen konfrontiert, da der Generator nicht am 12-V-Bordnetz hängt. Demzufolge können Power-Management-Bausteine mit geringerer maximaler Eingangsspannung gewählt werden, was die Kosten des BCM senkt.

In diesem Szenario wäre es vorteilhaft, Power-Management- und Netzwerkfunktionen separat zu implementieren, denn dies bietet die nötige Flexibilität, um das BCM mit minimalen Änderungen sowohl in traditionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als auch in Hybridfahrzeugen einzusetzen.

Fazit

BCMs für Kraftfahrzeuge weisen unterschiedliche Funktionen und Features auf. Die variierenden BCM-Designs machen verschiedene Power-Management-Architekturen erforderlich, um sämtliche ICs auf der BCM-Leiterplatte korrekt zu versorgen.

Folgende Power-Management-Architekturen kommen in Betracht:

• LDO-Stromversorgungsarchitektur.

• Architekturen mit einem Buck-Wandler als erste Stufe.

• Buck/Boost-Architekturen.

• Die SEPIC-Architektur.

• Architekturen mit einem Boost-Wandler als erste Stufe.

Welche dieser Stromversorgungs-Architekturen die richtige ist, hängt von den Betriebsspannungs-Anforderungen ebenso ab wie von der Notwendigkeit der Funktionsfähigkeit auch bei Kaltstarts und im Start-Stopp-Betrieb, der Anzahl der benötigten Ausgangsspannungen und den jeweils erforderlichen Strömen auf diesen Ausgängen.

Beim Design von Power-Management-Schaltungen gilt es zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen, wie etwa die Komplexität der Stromversorgungs-Struktur, die Störaussendungen (EMI), thermische Gesichtspunkte, die Leiterplattenfläche und natürlich die Kosten. Man kann hier neue Power-Management-Bausteine einsetzen, die mit innovativen Technologien die Herausforderungen beim Design von Power-Management-Schaltungen bewältigen. Mit der Einführung von Fahrzeugen mit höheren Bordnetzspannungen müssen die BCM-Designs außerdem so optimiert werden, dass sie unter den Bedingungen der jeweiligen Bordnetzspannung einsetzbar sind.

* Arun T. Vemuri ist General Manager, Automotive Body Electronics and Lighting, bei Texas Instruments. Donovan Porter ist Systems Engineer, Automotive Body Electronics and Lighting, bei Texas Instruments.

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