Heutige Gebäude, Fabriken und Industrieausrüstung sind kompakter und komplexer als noch vor einigen Jahren. Das führt zu einer zunehmenden Miniaturisierung der eingesetzten Komponenten, um eine intelligentere Automatisierung zu ermöglichen. Dieser Trend stellt eine große Herausforderung an die Stromversorgung dar. Zwar müssen Stromversorgungs-ICs die erforderlichen Ausgangsspannungen selbstverständlich liefern, aber sie müssen auch klein sein und in thermisch anspruchsvollen Umgebungen gut funktionieren.

Bild 1. Speditionen können ihre Fuhrparks mit Fahrzeug-Tracking-Geräten verwalten, die kompakte Stromversorgungsschaltungen benötigen.

Bild 1. Speditionen können ihre Fuhrparks mit Fahrzeug-Tracking-Geräten verwalten, die kompakte Stromversorgungsschaltungen benötigen. ohnnyH5/iStock

Wie lässt sich sicherstellen, dass Stromversorgungen die Anforderungen hinsichtlich Effizienz und Größe industrieller Designs erfüllen? Was sind die Herausforderungen und welche Möglichkeiten und Technologien gibt es, um die Designziele – hoher Wirkungsgrad, geringe Verlustleistung und kleiner Formfaktor – zu erreichen?

Höhere Leistung bei geringerer Wärmeabgabe

Eck-daten

Bei vielen Industriedesigns ist Miniaturisierung derzeit das Zauberwort der Stunde. Deshalb steigt auch bei den Stromversorgungen die Notwendigkeit, sehr kompakt und hocheffizient zu sein. Integrierte Stromversorgungsmodule bieten eine gute Lösung, um die Anforderungen an Eingangsspannung, an Wärmeableitung und Größe in industriellen Anwendungen zu erfüllen und somit in der Logistik, Fabriken, Gebäuden und anderen Bereichen für eine höhere Effizienz zu sorgen.

Anders als bei digitalen ICs ist die Verkleinerung analoger ICs nicht so einfach, vor allem weil die Powermanagement-Komponenten einen erheblichen Teil der Leiterplattenfläche beanspruchen. Dennoch erfordern elektronische Geräte heute mehr Leistung, um große Datenmengen zu erfassen, zusammenzuführen und darauf basierend schnell zu reagieren. Um das zu veranschaulichen, lohnt sich ein Blick auf die Anforderungen von Stromversorgungen in bestimmten Anwendungsbereichen und darauf, welche Maßnahmen erforderlich sind, um diese Anforderungen zu erfüllen.

In Unternehmen, die einen großen Fuhrpark verwalten müssen, lassen sich Autos, Lkw und Lieferwagen mit Fahrzeug-Tracking-Geräten nachrüsten und genau im Auge behalten (Bild 1). Sie können die erfassten Daten nutzen, um die Effizienz der Flotte zu steigern, um sicherzustellen, dass Techniker die Fahrzeuge regelmäßig warten, und um den Standort der Fahrzeuge im Falle eines Diebstahls oder bei anderen Problemen nachzuverfolgen. Die Fahrzeugbatterie speist üblicherweise die Geräte (12 V bei Pkws und 24 V bei vielen Lkws) und es gibt eine aufladbare Backup-Batterie. In der Regel sind sie unter dem Armaturenbrett installiert, weshalb die Wärmeableitung ganz entscheidend ist, um den geforderten Temperaturbereich einzuhalten.

Die Stromversorgung dieser Tracking-Geräte kann Abwärtswandler und LDOs (Low-Dropout-Regler) enthalten, um die geschützte Spannung der Front-End-Elektronik in niedrigere Spannungen für die verschiedenen Logik- und Analog-ICs im Gerät umzuwandeln. LDOs sind hierfür tatsächlich eine Option, da sie relativ einfach anzuwenden und kostengünstig sind. Allerdings weisen LDOs eine hohe Verlustleistung auf, wenn die Hauptbatterie sie direkt mit ihrer Spannung betreibt – dies ist eine übliche Art und Weise, diese Tracking-Geräte mit Strom zu versorgen. Angesichts der Platzbeschränkungen sind hier hochintegrierte Stromversorgungs-ICs erforderlich. Unter den heutigen DC-DC-Reglern gibt es auch Bausteine, die die Leistungs-MOSFETs, die Kompensationsschaltung und weitere externe Komponenten integrieren, was die Zahl der diskreten Bauteile, die für eine Stromversorgungsschaltung notwendig sind, reduziert.

Automatisierte Fabriken

Bild 2. Automatisierte Fabriken, wie diese Produktionsanlage für Autos, benötigen kleine, effiziente Stromversorgungs-ICs, um die Intelligenz am Netzwerkrand (Edge) bereitzustellen.

Bild 2. Automatisierte Fabriken, wie diese Produktionsanlage für Autos, benötigen kleine, effiziente Stromversorgungs-ICs, um die Intelligenz am Netzwerkrand (Edge) bereitzustellen. onurdongel/iStock

Da die Intelligenz in einer digitalisierten Fabrik immer weiter in Richtung Netzwerkrand der Produktionsanlage (Edge) rückt, benötigen ICs für Sensoren, Aktoren, I/Os und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) immer mehr Leistung, um verwertbare Erkenntnisse in Echtzeit zu gewinnen (Bild 2). Dadurch entstehen intelligente Fabrikanlagen und sie können so reagieren, dass sich verschiedene Vorteile ergeben, beispielsweise eine höhere Produktivität und Betriebszeit, eine vorausschauende Wartung sowie eine flexible und anpassungsfähige Fertigung. Um in die smarte Fabrik Intelligenz und Internet-Konnektivität zu bringen, sind in der Werkhalle für jeden Sensor, Aktor, I/O und SPS viele Prozessoren und Netzwerkschnittstellen nötig. Deshalb ist es immer häufiger erforderlich, die Größe der Komponenten so zu reduzieren, dass die zusätzlich notwendige Elektronik in das bestehende Gehäuse passt. Daher müssen Stromversorgungs-ICs klein, effizient und robust sein und zudem Stürze, Stöße und Vibrationen aushalten können.

Branchen, die eine berührungslose Füllstandsmessung benötigen, zum Beispiel die Öl- und Gasindustrie, der Bergbau und die Abwasseraufbereitung, forcieren die Nachfrage nach Ultraschallsensoren (Bild 3). Diese Sensorart sendet hochfrequente Schallwellen aus, deren Frequenzen von 30 kHz bis zu einigen MHz reichen. Für die Füllstandsmessung genügt ein einziger Signalgeber. Nachdem der Schallkopf das Ultraschallsignal ausgesendet hat, misst er, wie lange es dauert, bis die Flüssigkeitsoberfläche das Signal reflektiert. Bei einer Durchflussmessung kommen typischerweise zwei Wandler zum Einsatz, da diese Messung, abhängig von der Durchflussrate des Mediums, die Laufzeit einer Ultraschallwelle sowie deren Veränderung bestimmt.

Ultraschallsensoren und Smart Buildings

Bild 3. In Industrieanlagen, zum Beispiel bei der Abwasseraufbereitung, kommen Ultraschallsensoren zur Füllstandsmessung zum Einsatz.

Bild 3: In Industrieanlagen, zum Beispiel bei der Abwasseraufbereitung, kommen Ultraschallsensoren zur Füllstandsmessung zum Einsatz. BKhamitsevich/iStock

Ultraschallsensoren bestehen aus einem Analog-Front-End, das die Sende-, Empfangs- und Regelungsschaltungen sowie eine Mikrocontroller- beziehungsweise Mikroprozessoreinheit für die Berechnungen enthält. Die Sensoren werden immer kleiner, damit sie in die vorhandenen Montagelinien und in die engen Einbauöffnungen passen. Ihre Stromversorgungslösungen müssen daher ebenfalls sehr klein und robust sein und sie sollen so wenig Wärme wie möglich abgeben. Hinsichtlich der Stromversorgung sind aber noch ein paar weitere Überlegungen anzustellen. So lassen sich Ultraschallsensoren typischerweise mit einer Gleichspannung von 10 V bis 30 V versorgen, wobei der Ladestrom weniger als ein paar hundert Milliampere für das gesamte System beträgt. Bei Betriebstemperaturen des Systems von bis zu 70° C sollten die Stromversorgungskomponenten auf bis zu 125° C ausgelegt sein. Darüber hinaus ist dafür zu sorgen, dass diese Systeme vor Verpolung, Überspannungen und elektromagnetischer Interferenz (EMI) geschützt sind.

Neue Gebäude sind gespickt mit intelligenten Funktionen, die die Beleuchtung, Temperatur, Sicherheitssysteme, Zugangsmechanismen und anderes mehr steuern (Bild 4). Die Sensoren, Steuerungen und I/Os, die diese autonomen Funktionen ermöglichen, sind winzig und erfordern daher kleine, effiziente Stromversorgungslösungen. Normalerweise speist eine 24-V-Gleichstromquelle die in der Umgebung betriebenen Sensoren, in denen hohe Spannungsspitzen auftreten können. Unkritische industrielle Betriebsmittel arbeiten in der Regel in einem maximalen Betriebsbereich von 36 V bis 40 V. Wichtige Komponenten wie die Steuerung, Aktoren und Sicherheitsmodule hingegen müssen 60 V Spannungsfestigkeit unterstützen. Auf der Ausgangsspannungsseite finden sich üblicherweise 3,3 V und 5 V mit Stromstärken von 10 mA in kleinen Sensoren bis hin zu mehreren zehn Ampere zum Beispiel in Motion-Control-Anwendungen. Angesichts dieser Werte ist ein Abwärts-Spannungsregler, der Spannungsspitzen von typischerweise 42 V oder 60 V standhalten kann, eine gute Wahl für Steuerungsanwendungen in der Gebäudeautomation und Industrie.

Effizienz der Stromversorgung verbessern

In jedem der angesprochenen Anwendungsbereiche haben Stromversorgungen gemeinsame Merkmale und somit Herausforderungen. Diese sind eine geringe Größe, eine hohe Leistungseffizienz, ein großer Eingangsspannungsbereich sowie ein zuverlässiger Betrieb in rauen und thermisch anspruchsvollen Umgebungen.

Bild 4. Eine automatisierte Beleuchtung, Sicherheitsdienste und eine Temperaturregelung sind in modernen Gebäuden (Smart Buildings) nur einige jener Funktionen, die mit solchen Abwärts-Spannungsreglern realisiert werden, die Spannungsspitzen standhalten.

Bild 4. Eine automatisierte Beleuchtung, Sicherheitsdienste und eine Temperaturregelung sind in modernen Gebäuden (Smart Buildings) nur einige jener Funktionen, die mit solchen Abwärts-Spannungsreglern realisiert werden, die Spannungsspitzen standhalten. zhudifeng/iStock

Da der Platz auf der Leiterplatte in industriellen Designs begrenzt ist, ist das Handhaben der Verlustleistung mit Methoden wie zum Beispiel Kühlkörpern nicht praktikabel. Ebenso sind Ventilatoren zur Erzeugung eines Luftstroms nicht realisierbar, da üblicherweise die Gehäuse abgedichtet sind, um das Eindringen von Staub und Verunreinigungen zu verhindern. Deshalb kommt es hier tatsächlich auf die Effizienz der Stromversorgung an.

Aufgrund der Eingangs- und Ausgangsspannungen in diesen industriellen Designs ist ein Abwärts-Spannungsregler nötig. Die gebräuchlichste Architektur zur Abwärtsregelung ist ein nichtsynchroner Abwärtswandler, bei dem die Low-Side-Gleichrichterdiode außerhalb des ICs liegt. Diese Bausteine lassen sich relativ einfach für hohe Spannungen entwerfen. In einem Design mit einem 24-V-Eingang und einem 5-V-Ausgang arbeitet der Abwärtswandler mit einem Tastverhältnis von etwa 20 Prozent; die externe Gleichrichterdiode leitet die verbleibenden 80 Prozent über die Zeit durch, was den größten Teil der Verlustleistung ausmacht. Um die Verlustleistung zu minimieren, sollte versucht werden, die Gleichrichterdiode durch einen Synchron-Gleichrichter zu ersetzen (zum Beispiel mit einen Low-Side-MOSFET).

Ein Beispiel hierfür wäre eine Schottky-Gleichrichterdiode, die einen Spannungsabfall von etwa 0,64 V bei einer Stromlast von 4 A aufweist. Bei einem Tastverhältnis von 80 Prozent beträgt der Leitungsverlust ungefähr:

0,64 V × 4 A × 0,80 = 2 W

Wird nun die Diode durch einen Low-Side-MOSFET, der als Synchrongleichrichter dient, ersetzt, so entsteht anstelle des 0,64-V-Spannungsabfalls ein Spannungsabfall am Durchlasswiderstand des MOSFET-Transistors RDS(ON). Der RDS(ON) des MOSFETs hat nur 11 mΩ. Somit ergibt sich hier ein Spannungsabfall von:

11 mΩ × 4 A = 44 mV

Und infolgedessen eine Verlustleistung von:

0,044 V × 4 A × 0,80 = 141 mW

Damit ist in diesem Beispiel die Verlustleistung beim MOSFET unter Volllast etwa 14-mal kleiner als bei der Schottky-Gleichrichterdiode. Dieses Beispiel veranschaulicht die Vorteile einer Synchron-Gleichrichtung hinsichtlich der Leistungseffizienz.
An dieser Stelle ein kleiner Hinweis zum Umgang mit der maximalen Eingangsspannung: Auch wenn in Fabrikanwendungen eine Nennspannung von 24 V üblich ist, so ist es dennoch ratsam, bei den heute verfügbaren Powermanagement-Lösungen mit Spannungsfestigkeiten von 28 V, 36 V, 42 V oder 60 V sorgfältig eine geeignete Spannung auszuwählen. Wenn nicht alle möglichen Überspannungsszenarien, die aus langen Kabeln und der Leitungslänge auf Leiterplatten resultieren können, bekannt sind oder berechnet werden können, sind Bausteine mit einem maximalen Betriebsbereich von 42 V oder 60 V die beste Wahl. 28 V sind im Hinblick auf eine Sicherheitsmarge zu eng an 24 V. Auch 36 V können heikel sein, wenn die Sensoren und Encoder mit 24 V betrieben werden, sogar bei vorhandenem Überspannungsschutz mittels TVS-Dioden, wenn diese hohen Spannungsspitzen ausgesetzt sind.