Das Design industrieller Automatisierungssysteme bringt ganz spezielle und teils widersprüchliche Herausforderungen mit sich. Die Racks sollen kostengünstig und modular sein, mit platzsparenden, energieeffizienten und thermisch unkomplizierten Systemkomponenten. Dabei soll alles zuverlässig arbeiten, trotz Schmutz, Feuchtigkeit und Vibrationen, und immer mehr Funktionen bieten. Der entsprechende Fortschritt in der Elektronik ist allerdings nicht gratis zu haben: Die Toleranzen werden enger und es sind immer mehr stabile Spannungsebenen nötig. Dabei ist das Stromversorgungsnetz alles andere als perfekt.

Auf einen Blick

In industriellen Steuerungen hat sich zwar die 24-V-Versorgung durchgesetzt, daneben gibt es aber häufig noch 12 oder 48 V; außerdem brauchen die ICs sowieso viel niedrigere Spannungen. Da im Versorgungsnetz häufig erhebliche Spannungsspitzen auftreten, müssen die Wandler deutlich größere Spannungswerte verkraften als sie normalerweise umsetzen. Maxim erklärt hier die Zusammenhänge, vergleicht grundlegende Wandler-Topologien und stellt neue Bausteine vor, die das Design einer Stromversorgung vereinfachen sollen.

Die Halbleiteranbieter reagieren auf die konträren Vorgaben mit neuen Modulen, die viele Funktionen eines Netzteils in sich versammeln. Allerdings müssen Module, die für Versorgungsspannungen von 12, 24 oder 48 VDC ausgelegt sind, entweder durch Spannungsbegrenzer geschützt werden oder asynchrone Schalttechniken nutzen, um gegen netzseitige Spannungsspitzen gefeit zu sein. Beides resultiert in Lösungen, die mehr Platz benötigen sowie teurer und weniger effizient sind – genau das wollten die Ingenieure eigentlich vermeiden. Neue Netzteile bedienen sich synchroner Schaltregler, verkraften dabei aber Spannungsspitzen bis zu 60 V und können Ströme bis zu 3,5 A liefern, was früher unmöglich war. Dieses Fähigkeitsprofil vereinfacht das Design von Stromversorgungen für industrielle Automatisierungssysteme durch den höheren Wirkungsgrad, der wiederum die Wärmeentwicklung und die Stromaufnahme verringert. Gleichzeitig wird der Platzbedarf reduziert und es wird nur eine begrenzte Zahl externer Bauelemente benötigt. Möglich ist das dank einer neuen Generation von Stromversorgungs-Bauelementen, die von modernen Halbleiterfertigungstechniken profitieren.

Bild 1: Das Schema eines typischen industriellen Steuerungssystems offenbart seine Komplexität.

Bild 1: Das Schema eines typischen industriellen Steuerungssystems offenbart seine Komplexität.Maxim Integrated

Die Architektur industrieller Steuerungen

Eine Versorgungsspannung von 24 VDC ist heute De-facto-Standard für industrielle Steuerungsanwendungen. Dazu kommen oft 12 VDC, meist bei den Batterien der USV oder bei alternativen Stromversorgungen, etwa aus Photovoltaik-Panels. Mit PoE (Power over Ethernet) gesellt sich Equipment hinzu, das mit 48 VDC arbeitet. Bild 1 zeigt ein typisches Steuerungssystem mit einer Betriebsspannung von 24 VDC. Es enthält E/A-Module, Digitalausgänge, analoge Ein- und Ausgänge, Kommunikationsfunktionen sowie einen Prozessor. Die Rechenleistung wird in der Regel von einer SPS beigesteuert, und die Stromversorgung erfolgt aus dem Netz, dessen Spannung auf 24 VDC heruntertransformiert und über eine Backplane verteilt wird.

Bild 2: Teilabschnitt der Stromversorgungs-Architektur für ein industrielles Automatisierungssystem.

Bild 2: Teilabschnitt der Stromversorgungs-Architektur für ein industrielles Automatisierungssystem.Maxim Integrated

Ein genauerer Blick auf die Stromversorgung dieses Systems offenbart die Komplexität: Die einzelnen Komponenten verlangen verschiedene Spannungen und Ströme. Ein kleiner Abschnitt der Stromversorgungs-Architektur ist in Bild 2 zu sehen. Ein Industrienetzteil setzt die Netzspannung von 120 oder 230 VAC herab auf die Standardspannung der Backplane von 12 oder 24 VDC. Innerhalb des Systems wird die Backplane-Spannung dann entsprechend dem Bedarf der einzelnen Komponenten auf niedrigere Spannungen umgesetzt.

Die SPS zum Beispiel kann einen Mikroprozessor, einen DSP und ein FPGA enthalten, die Spannungen zwischen +1 und +5 V benötigen. Die SPS insgesamt nimmt so möglicherweise bis zu 3,5 A auf. Ein mehrkanaliges analoges E/A-Modul wiederum benötigt für seine verschiedenen Verstärker, A/D-Wandler und Multiplexer Spannungen von ±15 V und +5 V bei einer Stromaufnahme bis zu 500 mA.

Komplexität im Detail

Um die Sache noch ein wenig komplizierter zu machen, müssen Designer auch kurzzeitige Spannungsspitzen (Überspannungen) berücksichtigen, zu denen es beispielsweise durch Blitzschlag im Verteilnetz oder beim Schalten großer Verbraucher kommen kann. Doch auch innerhalb der Stromversorgungsarchitektur können solche Spannungsspitzen entstehen, beispielsweise beim Herabsetzen der Netzspannung auf 12 oder 24 VDC. Dies gilt insbesondere bei Schaltnetzteilen.

Überspannungen kommen so häufig vor, dass Organisationen wie die International Electrotechnical Commission (IEC) den Ingenieuren dazu raten, ihre Systeme dagegen zu schützen. Die Norm IEC 60664 befasst sich mit der Isolationskoordination im Niederspannungsbereich, also bei Systemen mit 1 kVAC und 1,5 kVDC. In ihr heißt es beispielsweise, dass Geräte der Kategorie II (dazu gehören auch industrielle Automatisierungssysteme), die mit einer aus dem Stromnetz abgeleiteten Spannung von 24 VDC arbeiten, für die Beständigkeit gegen Überspannungen bis zu 60 V ausgelegt werden sollten.

Grundlagen der DC-DC-Spannungsregelung

Die Gleichspannungswandlung (oder -regelung) ist ein großes Geschäftsfeld, und so haben die Halbleiteranbieter erhebliche Summen in die Entwicklung eines breiten Produktspektrums für jegliche Anwendungsfälle investiert. Die Bauelemente lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Low-Dropout-Spannungsregler (LDO, auch als Linearregler bezeichnet) und geschaltete Spannungsregler.

Werden sie sorgfältig auf die Belange der Applikation abgestimmt, sind Schaltregler über einen weiten Eingangsspannungsbereich effizienter als LDOs. Außerdem können sie problemlos eine höhere Ausgangsspannung (Aufwärtswandler), eine niedrigere Ausgangsspannung (Abwärtswandler) oder eine invertierte Ausgangsspannung erzeugen (letzteres ist für einige Teile der Stromversorgung für industrielle Automatisierungssysteme erforderlich). Bei LDOs dagegen ist die Ausgangsspannung stets niedriger als die Eingangsspannung.

Schaltregler haben gegenüber den einfach anzuwendenden LDOs nur den einen Nachteil, dass ihr Einsatz komplexer ist: Man muss die Ausgangsspannung filtern, um die vom hochfrequenten Schalten hervorgerufene Spannungs- und Stromwelligkeit zu verringern. Viele Chips reagieren darauf empfindlich, außerdem entstehen elektromagnetische Störaussendungen. Dennoch werden Schaltregler beim Design moderner Anwendungen zunehmend bevorzugt.

Schneller schalten

Entscheidend für die Funktion eines Schaltreglers ist ein MOSFET als Schalter. Ist er eingeschaltet, fließt Strom sowohl an den Verbraucher als auch in eine als Energiespeicher fungierende externe Induktivität. Wenn der MOSFET nun abschaltet wird, gibt die Induktivität ihre gespeicherte Energie an den Verbraucher wieder ab. Im Allgemeinen wird die Ausgangsspannung durch Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt. Bei konstanter Schaltfrequenz wird dabei die Impulsbreite (die Einschaltzeit) so eingestellt, dass am Ausgang die gewünschte Spannung liegt. Durch die hohe Schaltfrequenz dieses Spannungsreglers halten sich die Verluste in Grenzen, während es gelingt, über einen weiten Eingangsspannungs- und Lastbereich hinweg eine relativ stabile Ausgangsspannung zu erzeugen.

Bild 3: Prinzipschaltung eines asynchronen Abwärtswandlers.

Bild 3: Prinzipschaltung eines asynchronen Abwärtswandlers.Maxim Integrated

In einem Schaltregler mit asynchroner Topologie (Bild 3) fließt die Energie aus der Induktivität während der Abschaltphase des MOSFETs nicht direkt an den Verbraucher. Stattdessen nimmt sie den Weg über eine externe Schottkydiode. Sofern die Induktivität entsprechend der erwarteten Last ausgewählt wurde, arbeitet der Schaltregler im nicht-lückenden Betrieb, also kontinuierlich. Dabei stellt er eine stabile, geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung.

Wirkungsgrad optimieren

Der Wirkungsgrad, den ein Schaltregler dieser Art erreicht, wird hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: der Spannung, die an der externen Schottkydiode in Durchlassrichtung abfällt, und den Leckströmen dieser Diode in Sperrrichtung. Die Durchlassspannung moderner Schottkydioden liegt heute bei etwa  0,3 V. Das mag gering erscheinen, hat jedoch eine konstante Verlustleistung zur Folge.

Bild 4: Schaltung eines synchronen Abwärtswandlers.

Bild 4: Schaltung eines synchronen Abwärtswandlers.Maxim Integrated

Verbessern lässt sich die Effizienz, wenn man die Schottkydiode durch einen MOSFET ersetzt, dessen On-Widerstand (RON) sich mit modernen Fertigungsverfahren so weit absenken lässt, dass seine Vorwärtsspannung niedriger ist als bei der ursprünglichen Diode. Die Funktion der beiden MOSFETs in der Schaltung aus Bild 4 muss allerdings so synchronisiert sein, dass der eine MOSFET stets abgeschaltet ist, während der andere eingeschaltet ist. Der zweite MOSFET einer solchen Synchronregler-Schaltung kann in das Modul integriert sein. Damit wird das Schaltungsdesign einfacher und der Bauteileaufwand sinkt.

Verluste in der Spule

Das Design des Synchronreglers hat den Nebeneffekt, dass der Strom in der Induktivität bedingt durch das Schalten der zwei MOSFETs abwechselnd in beide Richtungen fließt, wodurch sich die Verluste in der Induktivität verdoppeln. In der asynchronen Schaltung dagegen fließt der Strom nur in eine Richtung. Die Verluste in einem Synchronregler sind zwar meist gering, sie können bei niedriger Last aber schlechter sein bei einem entsprechenden asynchronen Wandler.

Viele Halbleiteranbieter haben mit unterschiedlichen Techniken versucht, diesen Nachteil zu beheben. Maxim Integrated etwa präsentierte eine Reihe hochvolttauglicher Synchron-Spannungsregler wie den MAX17503, die die Wahlmöglichkeit zwischen drei Betriebsarten bieten. Neben dem erwähnten PWM-Modus sind dies die Pulsfrequenz-Modulation (PFM) und der lückende Betrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Während für den regulären Betrieb nach wie vor der PWM-Modus benutzt wird, verbessert der PFM-Modus den Wirkungsgrad bei geringer Last, da er Gegenströme in der Induktivität vermeidet und einzelne Pulse überspringt. Mit der DCM-Betriebsart vermeidet man ebenfalls Gegenströme in der Induktivität, um den Wirkungsgrads bei geringer Last anzuheben, jedoch werden hier keine Pulse ausgelassen, sodass sich die DCM-Technik auch für frequenzempfindliche Anwendungen eignet.

Auswahlkriterien

Synchrone Spannungsregler scheinen sich ideal zum Design von Stromversorgungen für industrielle Automatisierungssysteme zu eignen. Sie sind effizient, begrenzen die Leistungsaufnahme und senken das Temperaturniveau im System. Außerdem sparen sie Platz und reduzieren die Bauelementekosten. Neben vielen Synchronreglern für Spannungen bis 28 V gibt es einige, die sich bis 40 V einsetzen lassen. Die Mehrzahl dieser Bauelemente ist jedoch höchst empfindlich gegenüber zu hohen Spannungen, da ihre absolute Maximalspannung nur wenig über der Betriebsspannung liegt.

Eine mögliche Abhilfe ist es, den Synchronregler durch eine Klemmschaltung zu schützen, die die Spannungsspitzen auf ein erträgliches Niveau begrenzt. Abgesehen von den dadurch verursachten Mehrkosten erhöhen derartige Klemmschaltungen aber den Platzbedarf und erfordern zusätzliche Zeit beim Design. Entwickler stehen deshalb vor einer schwierigen Entscheidung: Wollen sie vom höheren Wirkungsgrad eines Synchronreglers profitieren und dafür den Mehraufwand für die Spannungsklemmung in Kauf nehmen, oder bevorzugen sie einen asynchronen Regler, der zwar die Verlustleistung erhöht und mehr Wärme erzeugt, dafür aber wahrscheinlich mit den Überspannungen im System zurechtkommt?

Neue Klasse von Synchronreglern

Die Halbleiteranbieter haben große Investitionen getätigt, um dieses Dilemma aufzulösen. Es gibt bereits erste Bausteine auf dem Markt, die Eingangsspannungen von 60 oder gar 75 V verkraften. Allerdings gibt es diese Regler nur für Ausgangsströme bis zu wenigen hundert Milliampere – viel zu wenig für industrielle Automatisierungssysteme. Maxim Integrated bringt daher mit der MAX1750x-Familie eine neue Generation von Synchronreglern für hohe Spannungen und hohe Ausgangsströme auf den Markt. Mit zwei integrierten MOSFETs ausgestattet, kommen die Bausteine dieser Familie ohne externe Schottkydiode und die zugehörigen Bauelemente aus.

Bild 5: Anwendungen für die Gleichspannungswandler MAX17501 und MAX17503 in einem industriellen Automatisierungssystem.

Bild 5: Anwendungen für die Gleichspannungswandler MAX17501 und MAX17503 in einem industriellen Automatisierungssystem.Maxim Integrated

Diese Synchronregler eignen sich für Eingangsspannungen bis zu 60 V und liefern Ausgangsströme von 500 mA, 1 A, 2,5 A oder 3,5 A. Zur Versorgung der Sensoren industrieller Automatisierungssysteme über die 4-20-mA-Stromschleife bietet das Unternehmen außerdem entsprechende Produkte mit Ausgangsströmen ab einigen zehn Milliampere an. Zum Beispiel erzeugt der für einen Wirkungsgrad bis zu 90 % ausgelegte MAX17503 nur halb so viel Wärme wie konkurrierende Hochvolt-Asynchronregler. Bei einem Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 60 V liefert der Baustein einen Ausgangsstrom bis zu 2,5 A. Bild 5 zeigt, wie der MAX17503 und das Schwesterprodukt MAX17501 üblicherweise in industriellen Automatisierungssystemen eingesetzt werden.

Der MAX17503 spart abgesehen davon 50 % Leiterplattenfläche und verringert den Bauteileaufwand um bis zu 75 %. Da er sich für hohe Schaltfrequenzen von 200 kHz bis 2,2 MHz eignet, genügen kleinere externe Induktivitäten. Die Regler der MAX1750x-Familie bieten überdies eine PFM-Funktion, die den Wirkungsgrad bei niedriger Last verbessert, da die Ruhestromaufnahme IQ sinkt. Der hohe Integrationsgrad der MAX1750x-Regler vereinfacht zudem das Design. Die Ingenieure müssen keine externen Kondensatoren und Kompensationswiderstände berechnen und beschaffen, da diese größtenteils schon in den Chip integriert sind. Eine Anwendungsschaltung für den Chip ist in Bild 6 dargestellt.

Bild 6: Anwendungsschaltung für den MAX17503 mit 500 kHz Schaltfrequenz.

Bild 6: Anwendungsschaltung für den MAX17503 mit 500 kHz Schaltfrequenz.Maxim Integrated

Moderner Leistungsträger

Synchrone Spannungsregler für hohe Spannungen und hohe Ausgangsströme erfüllen die Forderungen der Designer industrieller Automatisierungssysteme nach Stromversorgungs-Modulen, die kompakt und effizient sind und sich einfach in Designs integrieren lassen. In Kürze dürfte das Angebot so groß sein, dass es mit Ausgangsströmen von ein paar hundert Milliampere bis zu mehreren Ampere sämtliche Gleichspannungswandlungs-Anforderungen eines typischen Systems abdeckt. Die neue Synchronregler-Generation von Maxim ermöglicht es den Ingenieuren, sich auf die Kernfunktion ihrer Systeme zu konzentrieren, statt sich mit dem Design einer robusten Stromversorgung zu befassen.