DC/DC-Wandler im Micro-Modul-Format

Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen, wie beispielsweise tragbare Industriegeräte, erfordern speziell entwickelte DC/DC-Wandler mit einer Reihe von Eigenschaften.

Zum besseren Verständnis für die Anforderungen einer platzbeschränkten Industrieanwendung dient eine Intralogistikanwendung mit verschiedenen Funktionseinheiten.

Intralogistiksysteme mit Strom versorgen

Ein Lagerhaus ist ein Paradebeispiel für eine industrielle Umgebung, in der es zahlreiche elektronische Anwendungen und Busspannungen gibt (Bild 1). Hier kommen typischerweise komplexe Fördersysteme mit vielen Sensoren, Aktoren und Steuergeräten zum Einsatz. Jede dieser Anwendungen hat ihre eigenen Anforderungen an Versorgungsspannung, Stromstärke und Einbauraum.

Eine Überwachungskamera mit Mikrocontroller und Bildsensor benötigt zum Beispiel eine Spannung von 3,3 V und einen Strom im einstelligen Ampere-Bereich. Die Kameras werden an verschiedenen Stellen installiert, die oft keinen direkten Anschluss an den DC-Bus haben und einen sehr begrenzten Bauraum aufweisen (Bild 1, System 1). Induktive Sensoren für die Industrie werden meist direkt an den DC-Bus angeschlossen (Bild 1, System 2).

Ihr geometrischer Aufbau ähnelt einer metrischen Schraube, z. B. M12 (mit metrischer Gewindegröße von 12 mm), in die der Sensor und die Auswerteelektronik integriert sind.

Hindernisse bei der Implementierung eines DC/DC-Wandlers

In Tabelle 1 sind die wesentlichen Hindernisse aufgeführt, die bei der Implementierung eines DC/DC-Wandlers bei begrenztem Platzangebot zu berücksichtigen sind, und wie diese durch den Einsatz kompakter Power-Modulen bewältigt werden können.

Der nächste Schritt besteht darin, die Grundlagen des Schaltverhaltens eines DC/DC-Power-Moduls zu bewerten, um für die meisten der genannten Herausforderungen eine Lösung zu finden.

Unterschiedliche Belastungszustände

Batteriebetriebene Anwendungen wie tragbare Geräte arbeiten nicht immer unter Volllastbedingungen. Eine Messanwendung weist beispielsweise während der Messung einen höheren und zwischen den Messungen einen niedrigeren Strombedarf auf. Dabei sind zwei unterschiedliche Belastungszustände sehr häufig. Bei leichter Last arbeitet die Anwendung im Leerlauf- oder Standby-Modus, was einen Nennenergieverbrauch mit sich bringt. Daher muss das EMS flexibel genug sein, um in jeder Last-Situation die beste Leistung und den höchsten Wirkungsgrad zu gewährleisten.

Wirkungsgrad und Schaltverhalten

Bild 2 und Bild 3 zeigen den Wirkungsgrad des Micro-Moduls 171010550 der Serie MagI3C mit einem Ausgangsstrom von 1,2 A als Beispiel für die unterschiedlichen Lastsituationen. In Bild 2 ist das „typische“ Verhalten dargestellt, das von Standardabwärtswandlern zu erwarten ist, die im Pulsbreitenmodulationsmodus (PWM) arbeiten.

Der erzwungene PWM-Modus ist weit verbreitet und kommt in den meisten industriellen Netzteilen zum Einsatz. Diese Betriebsart ist für diese Anwendungen zufriedenstellend, weil sie während des größten Teils ihrer Lebensdauer unter schweren Lastbedingungen arbeiten.

Anwendungen wie Sensoren haben jedoch eine andere Last-Situation, hier herrscht der leichte Lastzustand vor. Daher muss das Schaltverhalten angepasst werden, um in dieser Lastsituation optimal zu funktionieren.

Die Betriebsart der Pulsfrequenzmodulation (PFM) ermöglicht nach Bild 3 eindeutig höhere Effizienzwerte, wenn der Laststrom sinkt. Dies unterstützt eine längere Lebensdauer der Batterie in batteriebetriebenen Geräten.

Die graue Kurve in Bild 3 (V_out = 1,8 V) zeigt den Übergang zwischen PFM- und PWM-Modus bei etwa 400 mA. Der genaue Punkt, an dem der Übergang stattfindet, hängt von der gewählten Ausgangs- und Eingangsspannung ab.

Schaltverhalten im PFM-Modus

Bild 4 vergleicht den Strom durch die Induktivität des Micro-Moduls bei PWM- und PFM-Verhalten. Der Strom schaltet im PFM-Modus in Pulsen.

Der Last- und der Ausgangskondensator werden während jedes Pulses mit Energie versorgt. In der Zeit zwischen zwei Pulsen (Leerlaufzeit) ist sowohl der obere als auch der untere Schalter ausgeschaltet. Dadurch kann der Ausgangskondensator den Laststrom ganz allein liefern. Entsprechend sinkt der Energieverbrauch des Moduls zwischen zwei Pulsen drastisch, solange, bis das Feedback-System den nächsten Puls auslöst.

Zudem ist der Wirkungsgrad im PFM-Modus aufgrund der geringeren Schaltverluste deutlich höher als im herkömmlichen PWM-Modus. Die Leerlaufzeit ist umgekehrt proportional zum Laststrom, das heißt, wenn der Laststrom steigt, verringert sich die Zeit zwischen den Pulsen. Das Modul schaltet vom PFM- wieder in den PWM-Modus, wenn die Leerlaufzeit gegen null geht, und kehrt zu einem konstanten Schaltverhalten bei der Standardschaltfrequenz von 4 MHz zurück.

Der Induktionsspitzenstrom ist im PFM-Modus höher als im PWM-Modus, sodass die gleiche Energiemenge in einem bestimmten Zeitraum an die Last abgegeben werden kann, wobei sich gleichzeitig die im Wandler erzeugten Verluste verringern. Während der Leerlaufzeit des Pulsmodus erzeugt das Modul im Vergleich zum Pulsbreitenmodulationsmodus keine Verluste.

Ausgangsspannung

Ist die Ausgangsspannung höher als ein bestimmter Wert, bleiben beide Schalter ausgeschaltet. Da der Ausgangskondensator die einzige Versorgungsquelle für die Last ist, nimmt die Ausgangsspannung mit der Zeit ab. Wenn sie auf einen bestimmten Wert abfällt, beginnt der nächste Pulszyklus.

Der resultierende Wert des Rippelstroms hängt vom Schwellenwert ab, der wiederum intern vom Controller-IC eingestellt wird. Durch eine einfache Vergrößerung des Ausgangskondensators lässt sich der Ausgangsspannungsrippel im PFM-Modus reduzieren. Der Maximalwert für den Ausgangskondensator ist dem entsprechenden Datenblatt des Power-Moduls zu entnehmen.

Anwendungen mit niedrigen Schienenspannungen

Bislang wurden nur Anwendungen betrachtet, die mit niedrigen Schienenspannungen versorgt werden. Die Versorgung für den DC/DC-Wandler wird hier als stabile vorgeregelte Versorgungsspannung angenommen. Das bedeutet, dass zwischen dem Standard24-V_DC-Bus und der niedrigen Schienenspannung ein weiterer Wandler sitzt, der die hohe Busspannung in die Anwendungsspannung (z. B. 5 V) umwandelt.

Induktiver Sensor an 24-V-Busspannungen

Ein induktiver Sensor ist ein gutes Beispiel zur Beurteilung der Anforderungen an einen DC/DC-Wandler, der direkt an den 24-V-Bus angeschlossen ist.

Induktive Sensoren für industrielle Umgebungen, die zur Erkennung von Metallobjekten dienen, werden mit einem 24-V-Eingang versorgt und benötigen 5 V für ihre interne Logik. Für diese Art von Power-Modulen sind zwei Eigenschaften besonders wichtig. Ein entscheidendes Kriterium ist die Robustheit des Power-Moduls gegenüber kurzfristigen Änderungen der 24-V-Eingangsspannung, sogenannten Spannungstransienten. Zweitens muss der DC/DC-Wandler sehr klein sein, damit er in ein M12-Gewinderohr passt, und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, um ein gutes thermisches Verhalten zu gewährleisten.

Abweichung vom Normalbereich

Klassischerweise ist der 24-V_DC-Bus im industriellen Umfeld nach IEC 61131-2 auf 19,2 bis 30 V spezifiziert. In der Realität entscheiden jedoch verschiedene Faktoren, wie stark die 24 V von diesem Toleranzbereich abweichen. Ist beispielsweise die 24-V-Versorgungsleitung parallel zur Steuerleitung eines Frequenzumrichters verlegt, werden die Impulse kapazitiv gekoppelt und die 24 V schwingen im Pulsmuster des Frequenzumrichters. In ähnlicher Weise verursacht ein an die Schienen angeschlossener Gleichstrommotor beim Bremsen oder Lastabwurf einen kurzzeitigen Anstieg der 24-V-Busspannung. Diese Störungen können schnell den Normalbereich verlassen und die angeschlossenen Anwendungen irreparabel schädigen. Bild 5 zeigt die 24-V-Busspannung mit ihren Toleranzen.

Micro-Modul im LGA-8-Gehäuse

Das Micro-Modul 171930601 stellt aufgrund seines Eingangsspannungsbereichs von 3,5 bis 36 V, seiner einstellbaren Ausgangsspannung und seinem thermischen Verhalten in einem kleinen LGA-8-Gehäuse (Bild 6) eine Lösung dar, was alle diese Designprobleme an-belangt.

Ein Power-Good-Indikator dient zur Anzeige des V_OUT-Status. Zudem ist das Modul konform mit EN55032 Klasse B / CISPR-32 und unterstützt bis zu drei Lötzyklen. Zu den gängigen Anwendungen gehören HVAC, Gebäudesteuerung, IoT, Sensoren und Point-of-Load-DC/DC-Wandler von 24-V-, 18-V-, 15-V-, 12-V-, 9-V- bis 5-V-Industrieschienen. (bs)