Lineare Stromversorgung für automatisierte Industriesysteme

Automatisierungssysteme für die Industrie und für Fabriken sind in den zurückliegenden Jahrzehnten immer robuster, intelligenter und vernetzter geworden. All dies hat den Platzbedarf für die Halbleiter-Bauelemente in diesen Systemen drastisch ansteigen lassen und ein Konglomerat unterschiedlicher Designs und Systemstrukturen hervorgebracht. Die Ingenieure waren deshalb gefordert, erprobte Designs beizubehalten und mit modernen oder neueren Designs zu verbinden, um die Voraussetzungen für bessere Funktionalität zu schaffen.

Obwohl die Designs immer besser werden und man enorm viele Systeme aktualisiert, haben sich die Umgebung und die Einsatzbedingungen der Systeme nicht wesentlich verändert. Die in industriellen Umfeldern eingesetzten Systeme müssen mit hohen Temperaturen und Spannungen sowie verschiedenen externen Einflüssen zurechtkommen, die Verschleiß und Belastung mit sich bringen.

Bild 1: Automatisierte Industriesysteme stellen hohe Anforderungen an Stromversorgungen. Bild: Texas Instruments

Bild 2: Standardmäßiges, mit 24 V betriebenes SPS-System. Texas Instruments

Das Power-Management für Mikrocontroller, Sensoren und andere Bauelemente auf der Leiterplatte muss unter den geschilderten Einsatzbedingungen uneingeschränkt funktionieren. Effizienz und Zuverlässigkeit der Stromversorgung über sehr lange Zeiträume, möglicherweise über Jahrzehnte sind weitere Forderungen an Stromversorgungen. Zudem müssen viele heute entwickelte Designs direkt oder indirekt mit einer Vielzahl von Systemen oder Maschinen früherer Generation oder Systemen in denen hohe Spannungen vorkommen, interagieren. Deshalb ist es sehr wichtig, alle Störungen und Vorkommnisse, die schädlich für empfindliche elektronische Bauelemente sein können, zu identifizieren und zu berücksichtigen.

Im Bereich des Power-Managements kommt grundsätzlich eine umfangreiche Palette unterschiedlicher Topologien infrage. In Automatisierungssystemen hingegen findet man üblicherweise bereits eine hohe Gleichspannung von meist 12 oder 24 V vor, die für einen Motor benötigt oder in den Steuerungsleitungen des Systems genutzt wird. Viele Systeme profitieren bei der Erzeugung einer niedrigeren Spannung vom Einsatz hocheffizienter Gleichspannungswandler-Architekturen. Trotzdem besteht ein großer Bedarf an Linearreglern. Diese übernehmen die Spannungsregelung für andere Halbleitersysteme, die für Mess- und Sensoraufgaben sowie für die Steuerung wichtiger Motorfunktionen nötig sind.

Hohe Spannungen

Ein gängiges industrielles Automatisierungssystem besteht aus einer CPU oder einer zentralen Steuerung, analogen und digitalen Ein- und Ausgängen zur Interaktion mit den verschiedenen Subsystemen, einem Kommunikationsprotokoll, das sehr lange Leitungen unterstützt, und I/O-Modulen zur Erweiterung des Funktionsumfangs. Bild 2 zeigt in stark vereinfachter Form eine sehr verbreitete SPS-Konfiguration (speicherprogrammierbare Steuerung), wie sie zurzeit in vielen automatisierten Strukturen eingesetzt wird.

In den meisten Fällen lassen sich die Baugruppen in jedem Abschnitt direkt an der Haupt-Versorgungsspannung betreiben, während andere die 24-V-Leitung nutzen und diese Spannung bei Bedarf herabregeln. Der Entwickler muss hierzu alle möglichen Komponenten berücksichtigen, die bereits angeschlossen sind oder möglicherweise noch angeschlossen werden, damit die Stromversorgung über entsprechende Reserven verfügt. Je mehr Komponenten an den Stromversorgungs-Bus angeschlossen werden, umso größer wird außerdem das Störaufkommen auf der Leitung und in den Subsystemen. Während die SPS selbst mit 12 oder 24 V arbeitet, kann es immer vorkommen, dass eine Komponente oder Leiterplatte des Systems oder eine angeschlossene Peripheriefunktion eine Spannung benötigt, die höher ist. In einem solchen Fall muss die verwendete Stromversorgung in der Lage sein, diese höheren Spannungen, die oftmals 40 V oder auch mehr betragen, bereitzustellen.

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Bild 3: Schema eines herkömmlichen Linearreglers. Texas Instruments

In zahlreichen automatisierten Systemen stellen die Zustandserfassung, die Kommunikation und die präzise Analog-Digital-Umwandlung zentrale Faktoren dar, die die Grundlage der Funktionalität bilden. Da der Großteil dieser Wandler- und Kommunikations-Bauelemente empfindlich gegenüber Störungen ist, ist es wichtig, die Störungen auf der Versorgungsspannung zu minimieren, denn diese wirken sich letztendlich auf die Genauigkeit oder Stabilität der Kommunikation oder Wandlerfunktion aus.

Schaltregler wandeln die Eingangsspannung durch abwechselndes Ein- und Ausschalten eines internen Elements. Dies allerdings verleiht der Ausgangsspannung zwangsläufig eine gewisse Welligkeit, die sich am versorgten Bauteil als Rauschen oder als Schwankung der Eingangsspannung äußert und deshalb Auswirkungen auf dessen Funktionalität hat. Im Gegensatz dazu weisen Linearregler eine sehr geringe Ausgangsspannungs-Welligkeit auf, weil keines ihrer internen Elemente ein- und ausgeschaltet wird. Linearregler können ferner eine sehr große Bandbreite besitzen und nur geringste elektromagnetische Interferenzen (EMI) im System erzeugen. Low-Dropout-Linearregler (LDOs) sind außerdem deutlich einfacher in der Anwendung. Die meisten von ihnen besitzen sehr kleine Gehäuse mit drei oder vier Anschlüssen und benötigen für ihre Funktion keinerlei externe Induktivitäten (Bild 3).

Für hohe Temperaturen geeignet

Die Motoren in den meisten Systemen – ob mechanisch oder elektrisch – wandeln große Mengen an Energie in Wärme um, die über das meist aus Metall bestehende Gehäuse abgeführt wird. Aus diesem Grund muss die gesamte interne Elektronik für sehr hohe Temperaturen von teils bis 125 °C ausgelegt sein, damit sie diese Bedingungen verkraftet und korrekt funktioniert. Dies ist inzwischen die neue Standard-Umgebungstemperatur für Halbleiter-Bauelemente, die für industrielle Anwendungen vorgesehen sind. Ähnliches gilt in negativer Richtung: Ausrüstungen, die für den Outdoor-Einsatz vorgesehen sind, werden mit Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt (zum Beispiel bis zu -40 °C) konfrontiert. Es ist zwar nicht immer so, dass in einer Anwendung beide Temperaturextreme erreicht werden, dennoch müssen viele Komponenten bei diesen Extremwerten getestet werden, um die Bedingungen zu erfüllen.

Ein klarer Nachteil des Linearreglers ist die hohe Verlustleistung, die im System nahezu ausschließlich in Form von Wärme abfällt. Berechnen lässt sich die Verlustleistung eines Linearreglers mit folgender Formel:

P_D = (V_IN – V_OUT) × I_OUT

Die Formel bedeutet im Klartext: Je höher die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist, umso mehr Wärme wird erzeugt und umso höher ist die Temperatur in der Umgebung des LDO. In solchen Fällen ist es besser, die entstehende Wärme über ein Pad oder einen Kontakt abzuleiten. Regler, die über einen Ein/Aus-Schalter verfügen, bieten für Designer den Vorteil, dass sich die Zeit, in denen sie aktiv sind, kontrollieren lässt. Andere Bauelemente können auch mit einer bei Überhitzung ansprechenden Abschaltfunktion ausgestattet sein, um das Erreichen gefährlich hoher Temperaturen zu verhindern. Eine weitere Möglichkeit, die Verlustleistung zu kompensieren, ist die Verwendung eines Linearreglers mit sehr geringem Spannungsabfall, damit sich die Ausgangsspannung möglichst wenig von der Eingangsspannung unterscheidet. Dieser Lösung wird meist dann der Vorzug gegeben, wenn nur geringe Ströme im Bereich von 100 mA oder weniger benötigt werden.

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Bild 4: Automatisierte Fahrzeugmontage. Texas Instruments

Hohe Temperaturen und Spannungen und ein hohes Leistungsniveau sind wichtige Faktoren für die Ausarbeitung von Power-Management-Konzepten für automatisierte Systeme, wie sie beispielsweise in der Fahrzeugproduktion zum Einsatz kommen (Bild 4). Zusätzlich können jedoch weitere Faktoren hinzukommen, mit großen Auswirkungen auf das System, speziell wenn Motoren eingebunden sind. Blockiert ein Motor im System, nimmt die Stromaufnahme des Systems zu, sodass die Regler mehr Leistung liefern müssen. Es können viele diskrete Lösungen genutzt werden, um diesen Strom über die elektrische Masse zu wandlen. Es gibt heute aber auch viele Linearregler, die den Ausgangsstrom erfassen, um sich bei einer zu hohen Stromstärke abzuschalten. In vielen Fällen kommt es bei zu hoher Stromstärke zu einer Überhitzung, sodass auch der Übertemperaturschutz helfen kann. Während aber die Erwärmung nur sukzessive erfolgt, findet die Zunahme des Strombedarfs augenblicklich statt.

Überhitzung kompensieren

Es gibt also die Möglichkeit, Überhitzungen und zu große Verlustleistungen zu kompensieren und beim Design zu berücksichtigen. Dennoch kann es zu Funktionsstörungen kommen, als deren Folge die Last die vorgegebenen Grenzwerte übersteigt. Es ist empfehlenswert, eine Möglichkeit zum Abschalten des Systems vorzusehen, damit es zu keinen Beschädigungen kommt, wenn die Verlustleistung unerwartet zunimmt. Viele Linearregler und LDOs sind deshalb wie in Bild 3 gezeigt mit internen Überhitzungsschutz-Funktionen ausgestattet, die den Baustein abschalten, sobald die maximal zulässige Sperrschichttemperatur überschritten wird. In einem herkömmlichen Linearregler deaktiviert der Übertemperaturschutz den Ausgang, wenn die Sperrschichttemperatur einen Wert von etwa 170 °C erreicht. So hat der Baustein die Gelegenheit abzukühlen. Ist die Sperrschichttemperatur auf zirka 150 °C gesunken, werden die Ausgangsschaltungen aktiviert, sodass der Regler wieder funktioniert. Diese Schutzschaltungen sind keineswegs als Ersatz für geeignete Kühlmaßnahmen gedacht, bieten aber einen zusätzlichen Schutz.

Strombegrenzung und Kurzschlussschutz

Ähnlich wie ein Temperaturanstieg, kann auch eine unerwartete Zunahme des Ausgangsstroms in der Power-Management-Stufe zu ernsten Schäden führen, die entlang der gesamten Versorgungsschiene spürbar werden. Für einen Anstieg des Ausgangsstroms können unterschiedliche Gründe verantwortlich sein: blockierende Motoren, der Anschluss zu vieler Knoten an eine Versorgungsschiene oder auch Kurzschlüsse durch elektrisch oder mechanisch beschädigtes Equipment. Die Zunahme der Stromaufnahme ist schädlich für die meisten elektronischen Systeme und auch für die zugehörige Power-Management-Schaltung. Die Konsequenzen können irreparable Schäden an sehr teuren Maschinen oder auch Produktionsverzögerungen sein. Die Wahl eines LDO, in den ein Kurzschlussschutz und eine Strombegrenzung eingebaut sind, kann dazu beitragen, dass sich dieser schädliche Zustand nicht weiter fortpflanzt, und außerdem zusätzlichen Schutz für das gesamte Power- Management bieten.

Bild 5: Interne Strombegrenzungs-Struktur eines LDO. Texas Instruments

Die Strombegrenzung in einem Linearregler (LDO) wird durch die Festlegung einer Obergrenze für den Ausgangsstrom definiert. Erreicht wird dies mithilfe von internen Schaltungen, die die Transistoren in der Ausgangsstufe des LDO kontrollieren, wie in Bild 5 gezeigt. Der interne Strom verfolgt den Ausgangsstrom und nimmt zu, wenn der Laststrom am Ausgang ansteigt. Ein eingebauter Komparator erfasst diesen Strom und steuert den Ausgang so, dass dessen Strom stets innerhalb des sicheren Bereichs bleibt. Wird der Grenzstrom erreicht, so wird der Ausgangsstrom nicht mehr geregelt, sondern in folgender Weise von der Lastimpedanz bestimmt:

V_OUT = I_{LIMIT ×} R_LOAD

Der Längstransistor verbleibt in dieser Betriebsart und dissipiert so lange Leistung, wie es sein thermischer Widerstand (θ_JA) ohne Überschreitung der zulässigen Bedingungen (T_J < 125 °C) erlaubt.

In Linearregler-Designs haben sich viele Features durchgesetzt, die diese Bauelemente zu einer sehr guten Lösung für jegliche Umgebungsbedingungen machen. Ein Bauelement, das für wirklich alle Einsatzfälle passt, gibt es natürlich nicht. Dennoch lässt sich für jedes System ein Linearregler finden, der allen Anforderungen gerecht wird und dabei die Voraussetzungen für eine einfach anzuwendende und kosteneffektive Power-Management-Lösung schafft.

Zum Download verfügbar sind die Datenblätter zu den Bausteinen TPS709, TPS7A16 und TPS7A4001.

(ah)