Alimentación de dispositivos de infoentretenimiento en sistemas de arranque/parada de automóviles

Fondo

Los fabricantes de automóviles continúan promocionando los sistemas de parada/arranque que ayudan a ahorrar combustible. Como su nombre lo indica, un sistema de parada/arranque apaga el motor en lugar de dejarlo en ralentí en una parada, y luego vuelve a encenderlo rápidamente una vez que necesita alejarse. Si maneja con muchas paradas y arranques, está reduciendo las emisiones y ahorrando combustible al no dejar el motor en ralentí durante largos períodos de tiempo. El concepto es simple. Por ejemplo, si se detiene en un semáforo en rojo o en un cruce de trenes, no necesita que el motor esté en marcha; si el motor no está funcionando, no está desperdiciando energía. Como resultado, la reducción en el consumo de combustible puede ser de hasta un 8 % en el tráfico de la ciudad en comparación con un automóvil sin dicho sistema.

La comodidad y la seguridad de conducción no se ven comprometidas por una función de arranque/parada automática, ya que no se activa hasta que el motor alcanza la temperatura ideal de funcionamiento. Lo mismo se aplica si el aire acondicionado aún no ha llevado la cabina a la temperatura deseada, si la batería no está suficientemente cargada o si el conductor mueve el volante.

La función de arranque/parada automática está coordinada por una unidad de control central que supervisa los datos de todos los sensores relevantes, incluido el motor de arranque y el alternador. Si es necesario para la comodidad o la seguridad, la unidad de control reiniciará automáticamente el motor; por ejemplo, si el vehículo comienza a rodar, la carga de la batería es demasiado baja o se forma condensación en el parabrisas. Además, la mayoría de los sistemas reconocen la diferencia entre una parada temporal y el final del viaje. No reiniciará el motor si el cinturón de seguridad del conductor está desabrochado o si la puerta o la cajuela están abiertas. Si lo desea, la función de inicio/parada automática se puede desactivar por completo con solo presionar un botón (al menos por ahora).

Sin embargo, cuando el motor vuelve a arrancar y hay un sistema de infoentretenimiento encendido u otro dispositivo electrónico que requiera más de 5 V, existe la posibilidad de que la batería de 12 V baje a menos de 5 V, lo que hace que estos sistemas se reinicien. Algunos sistemas de navegación e infoentretenimiento funcionan con un voltaje de entrada de 5 V y superior. Cuando el voltaje de entrada cae por debajo de 5 V durante el reinicio del motor, estos sistemas se restablecerán cuando el convertidor de CC a CC solo tenga la capacidad de reducir el voltaje de entrada. Obviamente, no es aceptable tener un reproductor de música o el sistema de navegación reiniciado cuando el automóvil se reinicia.

Solución

Analog Devices presentó recientemente un controlador de CC a CC de salida triple, el Power by Linear^® LTC7815, que combina un controlador boost y dos controladores reductores en un solo paquete. El impulso síncrono de alta eficiencia alimenta los dos convertidores reductores síncronos aguas abajo, evitando una caída del voltaje de salida cuando cae el voltaje de la batería del automóvil, una característica muy útil en los sistemas de arranque/parada de automóviles. Además, cuando el voltaje de entrada de la batería del automóvil es más alto que su voltaje de salida de impulso programado, el controlador de impulso funciona al 100 % del ciclo de trabajo y simplemente pasa el voltaje de entrada directamente a los convertidores reductores, lo que minimiza la pérdida de energía.

La figura 1 muestra un esquema LTC7815 con el convertidor elevador suministrando 10 voltios a los convertidores reductores. Además de alimentar los dos convertidores reductores, que producen 5 V/7 A y 3,3 V/10 A, respectivamente, el convertidor elevador se puede utilizar como una tercera salida que puede proporcionar 2 A adicionales. Este circuito mantiene 2,1 MHz funcionamiento hasta 28 V_EN y salta ciclos por encima de 28 V.

El LTC7815 funciona con un voltaje de entrada de 4,5 V a 38 V durante el arranque y mantiene el funcionamiento hasta 2,5 V después del arranque. El convertidor elevador síncrono puede producir voltajes de salida de hasta 60 V y puede funcionar con el interruptor síncrono completamente encendido para pasar el voltaje de entrada cuando es lo suficientemente alto para maximizar la eficiencia. Los dos convertidores reductores pueden producir voltajes de salida de 0,8 V a 24 V, y todo el sistema logra una eficiencia de hasta el 95 %. Su bajo tiempo de activación mínimo de 45 ns permite conversiones de alta reducción mientras se conmuta a 2 MHz, evitando así bandas de frecuencia críticas sensibles al ruido como la radio AM y permitiendo componentes externos más pequeños.

El LTC7815 se puede configurar para el modo de ráfaga^® operación, que reduce la corriente de reposo a 28 μA por canal (38 μA cuando los tres canales están encendidos) mientras regula el voltaje de salida sin carga, una característica útil para preservar los tiempos de funcionamiento de la batería en sistemas siempre encendidos. Los potentes controladores de compuerta MOSFET de canal N integrados de 1,1 Ω minimizan las pérdidas de conmutación y proporcionan una corriente de salida de más de 10 amperios por canal, limitada solo por componentes externos. Además, la corriente de salida de cada convertidor se detecta al monitorear la caída de voltaje a través del inductor (DCR) o al usar una resistencia de detección separada. La arquitectura de modo actual de frecuencia constante del LTC7815 permite una frecuencia seleccionable de 320 kHz a 2,25 MHz o se puede sincronizar con un reloj externo en el mismo rango.

Ampliación de los tiempos de funcionamiento de la batería

Cualquier sistema alimentado por batería que requiera un bus de alimentación siempre activo mientras el resto del sistema está apagado debe conservar la energía de la batería. Este estado se conoce comúnmente como modo de suspensión, espera o inactivo y requiere que estos sistemas tengan una corriente de reposo muy baja. La necesidad de una corriente de reposo baja para conservar la energía de la batería es especialmente importante en las aplicaciones automotrices que pueden tener varios circuitos eléctricos, como telemática, reproductores de CD/DVD, acceso remoto sin llave y múltiples líneas de autobús siempre activas. El consumo de corriente colectivo de estos sistemas durante el modo de espera debe ser lo más bajo posible y la presión continúa aumentando para la conservación de energía de la batería a medida que los automóviles dependen más de los sistemas electrónicos para su funcionamiento.

El LTC7815 consume solo 28 µA cuando está en modo de suspensión con el convertidor elevador y uno de los convertidores reductores encendidos. Con los tres canales encendidos y en modo de suspensión, el LTC7815 consume solo 20 µA, lo que prolonga significativamente los tiempos de funcionamiento de la batería cuando está en modo inactivo. Esto se hace configurando la pieza para que entre en funcionamiento en modo de ráfaga de alta eficiencia, en el que el LTC7815 proporciona ráfagas breves de corriente al condensador de salida seguido de un período de suspensión en el que el condensador de salida entrega la potencia de salida a la carga únicamente. La Figura 2 muestra el diagrama de tiempo conceptual de cómo funciona esto.

En el modo de suspensión, gran parte de los circuitos internos están apagados, excepto los circuitos críticos necesarios para responder rápidamente. Cuando el voltaje de salida cae lo suficiente, la señal de suspensión se activa y el controlador reanuda el funcionamiento normal en modo de ráfaga al encender el MOSFET externo superior. Alternativamente, hay instancias en las que el usuario querrá operar en modo de salto de pulso de frecuencia constante o continuo forzado con corrientes de carga ligeras. Ambos modos son fácilmente configurables y tienen una corriente de reposo más alta.

Eficiencia/Tamaño de la solución

La eficiencia para la salida de 5 V, como se indica en el esquema de la Figura 1, es de aproximadamente el 90 %, como se muestra en la Figura 3. Se puede lograr una eficiencia entre un 3 % y un 4 % mayor si la frecuencia de funcionamiento se reduce de 2,1 MHz a 300 kHz.

La Figura 4 muestra la placa de demostración para el LTC7815 (el esquema se muestra en la Figura 1) con la parte más alta a 48 mm de altura.

Funciones de protección

El LTC7815 se puede configurar para detectar la corriente de salida mediante el uso de DCR (resistencia del inductor) o una resistencia de detección. La elección entre los dos esquemas de detección de corriente es en gran parte una compensación entre el costo, la disipación de energía y la precisión. La detección DCR se está volviendo popular porque ahorra costosos resistores de detección de corriente y es más eficiente en el consumo de energía, especialmente en aplicaciones de alta corriente. Sin embargo, la resistencia de detección es una forma más precisa de detectar la corriente.

Los comparadores integrados monitorean los voltajes de salida reductores y señalan una condición de sobrevoltaje cuando la salida es mayor al 10% de su valor nominal. Cuando se detecta esta condición, el MOSFET superior se apaga y el MOSFET inferior se enciende hasta que se elimina la condición de sobrevoltaje. El MOSFET inferior permanece encendido continuamente mientras persista la condición de sobretensión. Si el voltaje de salida vuelve a un nivel seguro, la operación normal se reanuda automáticamente.

A temperaturas más altas, o en los casos en que la disipación de energía interna provoque un autocalentamiento excesivo en el chip, el circuito de apagado por exceso de temperatura apagará el LTC7815. Cuando la temperatura de la unión supera aproximadamente los 170 °C, el circuito de sobretemperatura desactiva el LDO de polarización incorporado, lo que hace que el suministro de polarización caiga a 0 V y apague efectivamente todo el LTC7815 de manera ordenada. Una vez que la temperatura de la unión vuelve a descender a aproximadamente 155 °C, el LDO se vuelve a encender.

Conclusión

Los sistemas de arranque/parada de automóviles permiten ahorros de combustible que seguirán evolucionando durante los próximos años. Se debe tener cuidado con respecto a la alimentación de los sistemas de información y entretenimiento a bordo y de navegación que necesitan hasta 5 V o pueden superarlos. Estos sistemas pueden restablecerse cuando el voltaje de la batería del automóvil cae a menos de 5 V con un reinicio del motor. El LTC7815 ofrece una solución al aumentar el voltaje de la batería a un nivel de funcionamiento seguro. Esto, combinado con dos controladores reductores, lo hace ideal para alimentar muchos dispositivos electrónicos automotrices en automóviles que tienen un sistema de arranque/parada.