Auf einen Blick

Die ADP505x-Familie beinhaltet in jedem Produkt vier Schaltregler. Zwei können jeweils bis 4 A Strom liefern und zwei bis jeweils 1,2 A. Die integrierten Schaltregler sind auf eine eigens erzeugte Schaltfrequenz synchronisiert. Die Schaltzyklen werden phasenversetzt angebracht um die Eingangsströme so kontinuierlich wie möglich zu machen. Dies reduziert die Größe des Eingangskondensators und minimiert Störungen im System.

Die ultimative Anforderung wäre eine Stromversorgung welche auf der Platine keinen Platz einnimmt, nichts kostet und so einfach zu handhaben ist, dass der Ingenieur keine Zeit mit dieser Entwicklung verbringen muss.

DC/DC-Wandler-Module

Die oben genannte Zielsetzung kann natürlich nicht komplett erreicht werden, teilweise aber schon. Um einen kleinen Platzbedarf sowie sehr geringen Entwicklungsaufwand zu erreichen, werden gerne DC/DC-Wandler-Module eingesetzt. Sie beinhalten einen kompletten Schaltregler mit allen notwendigen externen Bauteilen in einem kleinen Gehäuse. Sie sind generell auch sehr einfach zu bedienen. Meistens reicht es das passende Modul auszuwählen und auf die Platine zu setzen. Eines der drei Primärziele kann mit DC/DC-Wandler-Modulen jedoch nicht erreicht werden. Dies sind die gewünschten niedrigen Kosten. DC/DC-Wandler-Module sind häufig recht teuer.

Ebenfalls verlieren die eleganten Module einen Teil ihres Charmes, wenn viele unterschiedliche Versorgungsspannungen in einem System notwendig sind. Dabei muss sich der Entwickler Gedanken zu den unterschiedlichen Schaltfrequenzen der Schaltregler im System machen und sicherstellen, dass es durch sogenannte Beat-Frequenzen nicht zu unvorhergesehenen Störungen im System kommt. Beat-Frequenzen treten auf, wenn unterschiedliche Schaltregler in einem System bei unterschiedlicher Schaltfrequenz arbeiten. Durch Überlagerungen der unterschiedlichen Frequenzen entstehen Störungen bei niedrigeren Frequenzen.

Der Fall, dass viele unterschiedliche Spannungen notwendig sind tritt in industriellen Systemen immer häufiger auf. Beispielsweise werden vermehrt FPGAs eingesetzt welche mindestens zwei unterschiedliche Spannungen benötigen. Hinzu kommen noch weitere Spannungen, beispielsweise zur Versorgung eines analogen Signalpfades.

Hochintegrierte Power Management Units

Bild 1: Hoch integrierte Stromversorgungslösung (uPMU).

Bild 1: Hoch integrierte Stromversorgungslösung (uPMU).Analog Devices

Eine weitere Möglichkeit den anfänglich genannten Zielen für Stromversorgungen in der Industrieelektronik näher zu kommen ist die Integration mehrerer Schaltregler auf einem integrierten Schaltkreis. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Spannungen frequenzverträglich erzeugt werden. Bild 1 zeigt solch einen hoch integrierten Schaltregler.

Der notwendige Platzbedarf ist ebenfalls stark reduziert. Während die passiven, externen Bauteile, wie Induktivitäten und Kondensatoren, notwendig sind, können sie durch eine hohe Schaltfrequenz sehr kompakt ausgelegt werden.

Die ADP505x-Familie von Analog Devices ist für industrielle Anwendungen ausgelegt. Sie beinhaltet in jedem Produkt vier Schaltregler. Zwei können jeweils bis 4 A Strom liefern und zwei bis jeweils 1,2 A. Diese Schaltregler sind auf einen gemeinsamen Takt synchronisiert. Die Schaltregler arbeiten zudem phasenversetzt. Ebenfalls gibt es Mitglieder der Bauteilefamilie, welche zusätzlich einen Linearregler oder auch Watchdog sowie Manual Reset und auch ein digitales I2C-Interface integriert hat. Durch diese digitale I2C-Anbindung kann die Industrieelektronik mit ihrer eigenen Stromversorgung kommunizieren. Es können Spannungen dynamisch verändert werden, Verhalten nach der Erkennung eines zu hohen Laststroms angepasst werden oder auch einzelne Spannungen an- und abgeschaltet werden. Die Kommunikation funktioniert auch in die andere Richtung. Die Stromversorgung kann dem System melden, wenn die Eingangsspannung unter eine gewisse Schwelle abgefallen ist oder wenn eine zu hohe Temperatur erkannt wird.

Berechnungssoftware

Bild 2: Kostenfreie Berechnungssoftware Adisimpower.

Bild 2: Kostenfreie Berechnungssoftware Adisimpower.Analog Devices

Um schnell die passenden passiven Bauteile auszuwählen gibt es eine kostenfreie Berechnungssoftware (Bild 2). Diese kann offline auf dem Computer des Entwicklungsingenieurs verwendet werden. Sie bietet nach Eingabe der Spezifikation eine sehr genaue Berechnung der Stückliste für die Stromversorgung. Hierbei werden nicht nur nominale Bauteilwerte zu Grunde gelegt, sondern es werden die echten Werte errechnet. Eine 4,7 µH Induktivität hat beispielsweise bei einem Betrieb nahe an ihrer Sättigung bei 50 °C Temperatur nur noch einen geringeren Induktionswert. Dieser könnte je nach Bauteil bei beispielsweise niedrigen 3,9 µH liegen. Gleiches gilt für die keramischen Kondensatoren. Je nach Art des Kondensators kann beispielsweise ein 3,3-µF-Bauteil bei Anliegen einer Gleichspannung einen nur sehr viel geringeren Kapazitätswert von möglicherweise nur 1 µF aufweisen. Die Berechnungssoftware liefert durch ihre mitgelieferte detaillierte Bauteiledatenbank und die umfangreichen Berechnungen sehr realitätsnahe Ergebnisse.

Die Berechnungsumgebung beinhaltet außerdem ein Bode-Diagramm zum Kontrollieren der Übertragungsfunktion der Regelschleife sowie Berechnungen der zu erwartenden Betriebstemperatur.

Hardware aufbauen und testen

Bild 3: Unbestückte Platine zum einfachen Testen einer optimierten Schaltung.

Bild 3: Unbestückte Platine zum einfachen Testen einer optimierten Schaltung.Analog Devices

Auch mit einer sehr guten Berechnung oder Simulation der Stromversorgung ist es wichtig, sie auch als Hardware aufzubauen und zu testen. Dieser Schritt sollte nicht übersprungen werden, da viele parasitäre Bestandteile wie beispielsweise das Platinenlayout einen großen Einfluss auf eine Stromversorgung haben. Um den Schritt zur funktionierenden Hardware zu erleichtern, gibt es verschiedene Evaluierungsplatinen, welche bereits mit Bauteilen bestückt erhältlich sind. Ebenfalls besteht die Möglichkeit eine noch unbestückte Platine über das Adisimpower-Werkzeug zu bestellen. Diese ist in Bild 3 zu sehen. Der Vorteil besteht darin, dass hier eine bereits auf die Anwendung optimierte Schaltung einfach mit vorhandenen Bauteilen aufgebaut werden kann. Nach einem erfolgreichen Test wird die Schaltung dann in die Systementwicklung übernommen.

Bei mehreren benötigten Versorgungsspannungen kann es von großem Vorteil sein, anstelle von einzelnen Schaltreglern (Point-of-Load-Reglern), höher integrierte Lösungen einzusetzen. Diese werden mittlerweile optimiert auf Industrieanwendungen angeboten und bieten hohe Integration, niedriges Störverhalten, zusätzliche Überwachungsfunktionen sowie Flexibilität und sind durch verfügbare Entwicklungswerkzeuge und vorgefertigte Platinen einfach einzusetzen.