I/O-Schnittstellen reduzieren die Wärmeentwicklung

Automatisierte Fabriken nutzen Sensoren und I/O-Module, um die industriellen Prozesse zu steuern. Durch ihre steigende Perfektion und ihre schrumpfende Größe ermöglichen sie die vierte industrielle Revolution, auch Industrie 4.0 genannt. Ein einzelnes Modul (Bild 1) kann bis zu 64 Kanäle haben. So können in einer typischen Fabrikationshalle mehrere Module zum Einsatz kommen. Da die Zahl der Kanäle bis in die Tausende emporschnellt und die Größe der Modulgehäuse ständig schrumpft, werden die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung jedes Kanals erwartungsgemäß zur größten Sorge. Die üblichen Wege reichen oftmals nicht aus, um diese Leistungen zu bewältigen. Die Lösung von Maxim spart an der wichtigen Stelle zwischen Modul und der Umgebung mehr Energie ein.

Digitale I/O-Modul-Systeme

Bild 2: Blockdiagramm eines digitalen I/O-Moduls Maxim

Bild 2 zeigt das Blockdiagramm eines typischen digitalen I/O-Modul-Systems. Ein zentraler Knotenpunkt (Control Center) wandelt die AC-Netzspannung in eine 24-V-DC-Spannung und versorgt so die I/O-Module. Zusammen mit der Spannungsversorgung erfolgt auch die Übertragung der entsprechenden digitalen Eingangs- (DI) und digitalen Ausgangssignale (DO).

Die Fabrikumgebung ist rau. Das liegt zum Teil an elektrischen und magnetischen Interferenzen und Überspannungen. Deshalb bedarf die empfindliche Elektronik der Steuerung besonderer Schutzmaßnahmen. Dementsprechend versorgt ein isolierter Abwärtswandler (Flyback in Bild 2) die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) jedes Moduls. Am digitalen Eingangsmodul (Digital Input Module, DIM) empfängt ein robuster digitaler Eingang die Signale, wandelt sie in Logik-Spannungen um und gibt sie über einen digitalen Isolator oder einen Optokoppler an die SPS weiter. Eine ähnliche Leistungs-, Signal- und Isolations-Kette am digitalen Ausgangsmodul (Digital Output Module, DOM) führt zum Ausgangstreiber, der mit dem externen Aktor verbunden ist. Der Eingangsumsetzer des DIMs und der Ausgangstreiber des DOMs sind die primären Stellen, an denen Leistung übertragen, verbraucht und als Wärme verloren geht. Durch die zunehmende Minimierung der Module bleibt kaum mehr Platz für Lüfter, weshalb die konventionellen, ineffizienten Lösungen versagen. Neue, effizientere Lösungen sind nötig.

DIM-Umsetzer

Bild 3: Diskreter Umsetzer Maxim

Ein üblicher Weg, das digitale Eingangsmodul anzuschließen, ist in Bild 3 dargestellt. Das System filtert dabei die Hochspannungsschiene (24 V), zugleich teilt es die Schiene auf R₁, R₂, R₃ und C runter. Die Spannung wird schließlich an die Anode einer Photodiode angelegt, einem Teil des Optokopplers für den Signal- und Leistungsisolationspfad. Diese Lösung ist teuer und sperrig, da sie einen Optokoppler für jede Sensorkette benötigt. Was die Leistungsaufnahme angeht, ist das Worst-Case-Szenario, wenn eine schlecht geregelte 24-V-Spannung bis zu 30 V liefert. Angenommen, der Eingangskanal wurde für einen Schaltpunkt bei V_Schalt = V_IN = 9 V und I_Schalt = I_LIM = 2,4 mA entwickelt, berechnet sich die maximale Verlustleistung pro Kanal wie folgt (der Einfachheit halber wird die Photodiode V_be vernachlässigt):

R_IN = R₁ + R₂ || R₃ = 9 V / 2,4mA = 3,6 kΩ

I_INMAX = 30 V / 3,6 kΩ = 8,3 mA

P_MAX = 30 V x 8,3 mA = 250 mW pro Kanal

Bei einer Karte mit 16 digitalen Eingängen summiert sich das auf eine enorme Verlustleistung von 4 W. Die entsprechend erzeugte Wärme kann die Temperatur in dem kleinen Modulgehäuse auf inakzeptable Werte erhöhen.

Thema auf der nächsten Seite: Energiesparlösungen am DOM.

Integrierte DIM-Schnittstellenlösung

Bild 4: Strombegrenzter Ansatz Maxim

Ein geschickter Weg, um die Verlustleistung im Umsetzer zu begrenzen, ist das Kappen der Widerstandskurve wie in Bild 4 gezeigt.

Grundsätzlich wird dafür eine Stromquelle I_LIM seriell zu den Widerständen (R_INP, R_INx in Bild 5) geschaltet, sodass I_LIM an der eingestellten Kniespannung V_Schalt = R_INP x I_LIM anfängt zu wirken. I_LIM sättigt (V_CESAT ≈ 0) für V_TH<V_Schalt. Die Gleichung in Bild 5 beschreibt das Verhalten der Schaltung für den strombegrenzten Ansatz (gestrichelte Linie) in Bild 4.

Mit dieser Technik kann die Worst-Case-Verlustleistung begrenzt werden:

P_MAX = 30 V x 2,4 mA = 72 mW pro Kanal

Das entspricht einer Reduzierung der Verlustleistung um den Faktor 3,5 oder um 71 Prozent im Vergleich zum traditionellen Ansatz. Entsprechend nimmt eine 16-kanalige Karte nur ungefähr 1,1 W auf. Das System kann viel kühler laufen, was im Ergebnis höhere Zuverlässigkeit und niedrigere Betriebskosten bedeutet.

Bild 5: Strombegrenzter integrierter Umsetzer Maxim

Die achtkanaligen, digitalen Input-Umsetzer/Serializer MAX31910 und MAX31911 von Maxim können den digitalen 24-V-Ausgang von industriellen Sensoren auf die von Mikrocontrollern benötigten CMOS-kompatiblen 5-V-Signale umsetzen, anpassen und serialisieren. Sie erreichen eine niedrige Verlustleistung von 72 mW, indem sie diese strombegrenzende Lösung einsetzen.

Energiesparlösungen am DOM

Auch beim digitalen Ausgangsmodul ist noch Raum für Energieeinsparungen. Der Aktor könnte zum Beispiel ein Motor sein, der 12 W Leistung bei 500 mA benötigt (Eingang 24 V typisch, 30 V max.). Diese Leistung wird mit einem MOSFET eingeschaltet, der Verlustleistung proportional zu seinem R_DSON abführt. Dabei erzeugt ein typischer integrierter Schalttreiber mit einem über der Temperatur maximalen R_DSON von 320 mΩ und einem Ruhestrom von 12 mA und acht Kanälen folgende Verluste:

P_DISS(R_DSON) = 320 mΩ * (500 mA) ² = 80 mW pro Kanal

P_RUHE = 12 mA * 30 V = 360 mW pro acht Kanäle bei 30 V maximaler Eingangsspannung

Bei einer Karte mit 16 digitalen Ausgängen summiert sich die Verlustleistung auf 2 W.

Bild 6: Ein Kanal der Endstufe des MAX14900E Maxim

Der achtkanalige, industrielle Hochgeschwindigkeits-High-Side-Schalter MAX14900E hat mit maximal 165 mΩ den besten R_DSON und mit maximal 3 mA den besten Ruhestrom seiner Klasse. Damit wird nur ein Bruchteil dieser Verlustleistung erzeugt:

P_DISS(R_DSON) = 165 mΩ * (500mA) ² = 41 mW pro Kanal

P_RUHE = 3 mA * 30 V = 90 mW pro acht Kanäle

Bei einer Karte mit 16 digitalen Ausgängen summiert sich das auf 0,836 W Verlustleistung gegenüber den vorigen 2 W, was einer Reduzierung der Verlustleistung um 58 Prozent entspricht.

Bild 6 zeigt einen Kanal der Endstufe des MAX14900E. Zusätzlich zum 165 mΩ High-Side Leistungs-MOSFET hat jeder Ausgang eine Gegentaktendstufe. Wenn Entwickler die Endstufe im High-Side-Modus konfigurieren, kann jeder Treiber sicher und kontinuierlich maximal 850 mA Laststrom liefern. Die High-Side-Schalter haben eine aktive Strombegrenzung im Bereich zwischen minimal 1,4 A und maximal 2,0 A. Wenn ein Treiber im Gegentaktmodus ist, treibt der Ausgang resistive/kapazitive Lasten mit hohen Schaltraten und Lastströmen bis 100 mA.

(prm)