Eckdaten

Der VNI8200XP ist die ideale Leistungsstufe zur Herstellung von SPS-Ausgangsmodulen.Der Baustein bietet verglichen mit ähnlichen Mehrfach-High-Side-Schaltern auf dem Markt sehr gute Performance-Werte im Hinblick auf die Verlustleistung und die integrierten Schutz- und Diagnosefunktionen. Außerdem verringert er dank seiner speziellen Features den Bedarf an externen Bauelementen, was sowohl Material- als auch Arbeitskosten spart: SPI-Interface (8 oder 16 Bit) zur Steuerung des IC, sehr effizienter 100-mA-Abwärtswandler mit integrierter Boot-Diode und 4 × 2 LED-Matrixtreiber (gemultiplext) zur Signalisierung des Ausgangsstatus

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist im Prinzip ein digitaler Computer, der für Automatisierungsaufgaben in vielen Industriezweigen und Maschinen eingesetzt wird. Vielfältige Kombinationen von Ein- und Ausgängen, erweiterte Temperaturbereiche, Unempfindlichkeit gegen elektrische Störbeeinflussungen sowie Beständigkeit gegen Vibrationen und Stöße sind kennzeichnende Attribute speicherprogrammierbarer Steuerungen. Um unbeabsichtigte Aktivitäten zu vermeiden, müssen am Ausgang einer SPS die Resultate als Reaktion auf die Eingangsbedingungen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne vorliegen. Die umfangreiche Bestückung mit Ein- und Ausgängen (E/As) ist ein wichtiges Feature speicherprogrammierbarer Steuerungen. Die Ein- und Ausgänge können in die SPS selbst eingebaut oder als externe E/A-Module ausgeführt sein. Solche E/A-Module verbinden die SPS mit den Sensoren (den Eingängen) und den Aktoren (den Ausgängen).

Bild 1: Schema einer SPS-Erweiterungskarte.

Bild 1: Schema einer SPS-Erweiterungskarte.STMicroelectronics

Was die Aktoren betrifft, muss die SPS ein breites Spektrum von Verbrauchern ansteuern können, wie zum Beispiel Elektromotoren, Hydraulikzylinder, Elektromagnete und Leuchten. Für den sicheren Betrieb ist es unerlässlich, die Systemfunktionen in Echtzeit zu überwachen. In die Ausgangsstufe sollten deshalb möglichst viele Schutzfunktionen sowohl für die Verbraucher als auch für die Ausgangsstufe selbst integriert sein. Ergänzend sind umfangreiche Diagnosefunktionen erforderlich, und außerdem muss die Ausgangsstufe so ausgelegt sein, dass sie die strengen Vorschriften bezüglich elektromagnetischer Störbeeinflussungen und elektrostatischer Entladungen erfüllt. Wichtig ist ferner, dass die Ausgangsstufe energieeffizient ist. Zu guter Letzt ist ein hoher Schutz vor dem Berühren gefährlicher Teile und dem Eindringen fester Objekte von außen sehr wichtig.

Anhand des Bausteins VNI8200XP von STMicroelectronics soll nachfolgend der Bau eines SPS-Ausgangsmoduls erläutert werden.

Bild 2: Demonstrations-Hardware zur Nachbildung eines SPS-Systems mit Ausgangsmodul und Verbraucher.

Bild 2: Demonstrations-Hardware zur Nachbildung eines SPS-Systems mit Ausgangsmodul und Verbraucher.STMicroelectronics

Funktionsweise des Moduls

Bild 2 zeigt ein einfaches, aber vollständiges SPS-System, aufgebaut aus Demo-Boards, die speziell dafür entwickelt wurden, potenziellen Anwendern beim Debugging ihrer eigenen Lösungen zu helfen. Das hier vorgeschlagene System besteht aus den beiden Evaluation-Boards Steval-PCC009V2 und Steval-IFP022V1.

Das Steval-PCC009V2 enthält einen ARM-basierten Mikrocontroller vom Typ STM32F103. Er ist per USB direkt an einen PC angeschlossen, während die Verbindung mit dem Ausgangsmodul über ein Flachbandkabel erfolgt. Bei diesem Ausgangsmodul handelt es sich um das Steval-IFP022V1, dessen zentrale Bauteile die erwähnten Achtfach-High-Side-Schalter VNI8200XP mit wählbarer Schnittstelle (SPI oder parallel) sind. In diesen Bausteinen sind die Ausgänge auf optoelektronischem Weg von der Ansteuerseite isoliert. Das Steval-IFP022V1 fungiert außerdem als internes Testmodul für die Applikations-Qualifikation des Bausteins und EMV-Prüfungen gemäß der Norm IEC 64000.

Vorteile eines Ausgangsmoduls auf der Basis von Achtfach-High-Side-Schaltern 

In diesem Abschnitt sollen die wichtigsten Vorteile beschrieben werden, die sich aus der Verwendung des VNI8200XP als Leistungsstufe für das SPS-Ausgangsmodul ergeben.

Bild 3: Detailansicht des Evaluation-Boards Steval-IFP022V1.

Bild 3: Detailansicht des Evaluation-Boards Steval-IFP022V1.STMicroelectronics

Der VNI8200XP wird mit der VIPower-M0-6-Technologie, einem auf dem neuesten Stand der Technik befindlichen Prozess von ST hergestellt. Die proprietäre Smart-Power-Technologie macht es möglich, auf einem Chip sowohl Logikfunktionen als auch das SPI-Interface, Schutz- und Diagnosefunktionen, einen Gleichspannungswandler, einen LED-Matrix-Treiber und die Leistungsstufe unterzubringen. Der Baustein besitzt ein Leistungsgehäuse des Typs PSSO36.

Bild 4: Entmagnetisierung einer Induktivität von 0,4 H bei VCC = 36 V und IOUT = 0,5 A.

Bild 4: Entmagnetisierung einer Induktivität von 0,4 H bei VCC = 36 V und IOUT = 0,5 A.STMicroelectronics

Bild 4 zeigt ein Oszillogramm, das bei der Entmagnetisierung eines Verbrauchers mit großer Induktivität (0,4 H) bei hoher Betriebsspannung (36 V) und einem Nenn-Ausgangsstrom von 0,5 A aufgezeichnet wurde. Infolge des niedrigen RDS(on)-Werts der einzelnen Kanäle (200 mΩ bei 125 °C) verkraftet der VNI8200XP sehr große Energiemengen. Gekühlt nur über die Kupferfläche der Leiterplatte, kann der Baustein kurzzeitig problemlos acht große Induktivitäten (bis zu 1,15 H) entladen.

Bild 5: Thermisch bedingte Abschaltung im Betrieb mit 20 kHz.

Bild 5: Thermisch bedingte Abschaltung im Betrieb mit 20 kHz.STMicroelectronics

Bild 5 illustriert das thermische Verhalten des Bausteins, wenn es auf zwei Ausgangskanälen gleichzeitig zu einer dauerhaften Überlastung kommt. Im Fall einer Überlastung wird der Kanal abgeschaltet. Die automatische Wiedereinschaltung erfolgt, nachdem die Temperatur des IC unter einen von der Temperatur-Hysterese festgelegten Grenzwert gefallen ist. Auf diese Weise wird die Sperrschichttemperatur kontrolliert. Sollte in diesem Betriebszustand die Gehäusetemperatur ihren Grenzwert TCSD erreichen, werden die überlasteten Kanäle abgeschaltet. Die (nicht gleichzeitige) Wiedereinschaltung erfolgt, sobald die Gehäuse- und Sperrschichttemperaturen ihre jeweiligen Grenzwerte unterschreiten. Nicht überlastete Kanäle bleiben dabei funktionsfähig. Über dem TCSD-Wert liegende Gehäusetemperaturen werden über den Open-Drain-Ausgang Twarn gemeldet.

Bild 6: Signale der 16-Bit SPI-Kommunikation beim Auftreten eines junction fault.

Bild 6: Signale der 16-Bit SPI-Kommunikation beim Auftreten eines junction fault.STMicroelectronics

Wird der Baustein mit SPI-Kommunikation betrieben, kann zwischen der 8-Bit- und der 16-Bit-Betriebsart gewählt werden. Voreingestellt ist der 8-Bit-Modus, in dem nur acht Ausgänge angesteuert und Status-Fehler kanalweise signalisiert werden. Der erweiterte 16-Bit-Modus ermöglicht demgegenüber eine ganze Reihe von Verbesserungen, nämlich eine Kommunikationskontrolle (durch Paritätsprüfung), eine niedrige Versorgungsspannung für den Leistungs- und den Logikteil, Überhitzungswarnung für jeden Kanal und Überwachung. In Bild 6 sind die Kurven zum junction fault dargestellt, der über die SPI-Schnittstelle des Bausteins gemeldet wird.

Die chipintegrierte serielle Schnittstelle sorgt dafür, dass für die Isolation wesentlich weniger Optoelektronik benötigt wird. Da sich außerdem die Verdrahtung der Kabel vereinfacht, wird Kupfer und Arbeitszeit gespart.

Dank der in den Chip integrierten SPI-Funktion lassen sich vier VNI8200XP in einer Daisy-Chain-Konfiguration zusammenschalten, um ein 32-Bit-Modul zu realisieren (Referenzen: Datenblatt VNI8200XP).

Hinweis

Für alle, die die hier beschriebene Demonstrations-Hardware nachbauen wollen, gibt es technische Unterstützung auf der Website STMicroelectronics in der STE2ECommunity. Hier können alle Interessierten sowohl technische Fragen als auch allgemeine Fragen zu Produkten stellen, die dann von ST-Experten beantwortet werden.