Eine Sensor-„Black-Box“ besteht üblicherweise aus einem Transceiver, der die Messdaten verarbeitet, und einer Stromversorgung. Dies ist typischerweise eine 24VDC-Versorgung und speist einen Abwärtswandler, der wiederum ASIC/Mikrocontroller/FPGA und das Sensorelement versorgt (Bild 1).

Eckdaten

Mehr Leistung effizient und zuverlässig bei minimaler Wärmeentwicklung zu liefern, stellt für kleine industrielle Sensoranwendungen eine große Herausforderung dar. Angemessenen Schutz der 24-V-Eingangsspannung gewährleistet ein Abwärtswandler, der eine 60-V-Eingangsspannungsfestigkeit aufweisen kann. Die miniaturisierten Abwärtswandlermodule von Maxim Integrated lassen sich direkt integrieren und sind zudem leistungsstark, auch erweitern sie die Nenneingangsspannung und die Leistungsdichte. Die Module weisen niedrige EMI-Werte auf und eignen sich ideal für die Versorgung kleinster Sensoren in industriellen Anwendungen.

Wenn die 24-V-Versorgung sauber ist oder einen Rauschpegel unterhalb der Betriebsspannung des Eingangs-Schaltreglers aufweist, ist kein Schutz erforderlich (keine TVS in Bild 1). Ein Abwärtswandler mit einer typischen maximalen Eingangsspannung von 36 V oder 42 V wäre für diese Sensorauslegung ausreichend.

Allerdings kann eine Fabrik eine sehr anspruchsvolle Umgebung sein, mit langen Kabeln und starken elektromagnetischen Störungen, die zu hohen Spannungsspitzen führen. Dementsprechend muss der Abwärtswandler im Inneren des Sensors diesen Belastungen standhalten, die weit über dessen Betriebsspannung liegen können.

Eine typische Lösung für dieses Problem sind Überspannungsbegrenzer (Transient Voltage Suppressors, TVS), um die Eingangsspannung (VCC) des Frontend-Schaltreglers zu begrenzen. Die damit verbundenen Eingangsstromspitzen werden durch den Widerstand RP begrenzt, ein parasitäres oder physikalisches Element im elektrischen Pfad zwischen der Quelle der Spannungsspitze (VBUS) und dem Sensor.

Als Beispiel dient eine TVS-Diode aus dem LitteIfuse-Katalog. Die allgemeinen Charakteristiken einer TVS sind in Bild 2 dargestellt.

Bild 1: Sensor-Stromversorgung.

Bild 1: Sensor-Stromversorgung. Maxim Integrated

Bei einer TVS-Diode handelt es sich um einen offenen Stromkreis, bis die Spannung deren Durchbruchspannung VBR erreicht. An diesem Punkt beginnt sie, Strom zu leiten, während deren Spannung leicht bis zur maximalen Klemmspannung VC ansteigt. Dann fließt der maximal zulässige Spitzenimpulsstrom IPP. Das Produkt aus VC x IPP ist die maximale Spitzenleistung, die der TVS bewältigen kann. Im Beispiel liegt diese bei 400 W für diese TVS-Familie.

Für einen wirksamen Schutz müssen Entwickler den VBR der TVS so wählen, dass die Spannung oberhalb von VBus(MAX) liegt, während VC unterhalb der Durchbruchspannung des Schaltreglereingangs liegt.

Die VBUS-Versorgung beträgt 24 V (±10 %), also maximal 26,4 V (VBUS(MAX)). Die nächstmögliche TVS-Auswahl aus dem Katalog ist der SMAJ28A mit einer minimalen Spannung VBR von 28 V, einer maximalen Klemmenspannung von 45,4 V bei einem maximalen Spitzenstrom von 8,8 A (Bild 3). Die Differenz zwischen der TVS-Spannung und der Spannungsspitze erzeugt den Strom durch den Widerstand RP, der unter dem maximal zulässigen IPP liegen muss.

Allerdings schließt die Tatsache, dass der Abwärtswandler 24 VDC und mindestens eine 45,4-V-Spitze aushalten muss, eine große Zahl von Schaltregler bereits aus.

Bild 2: TVS V-I-Charakteristik.

Bild 2: TVS V-I-Charakteristik. Maxim Integrated

Darüber hinaus gibt es bei der obigen Auswahl nur eine Marge von 1,6 V zwischen dem maximalen VBUS und der minimalen TVS-Spannung (VBR). Eine höhere Marge erfordert eine Nennspannung für den Abwärtswandler (VCC) von deutlich über 45,4 V. Im Idealfall lässt sich mit einem 60-V-Abwärtswandler eine SMAJ33A mit einer minimalen VBR von 33 V verwenden, die Klemmspannung VC von 53,3 V liegt auch deutlich unter 60 V. Dies ergibt eine Betriebsspanne von 6,6 V über VBUS(MAX) und 6,7 V unter 60 V.

Herausforderung Sensor-Miniaturisierung

Bild 3: Mindestbedingungen für einen TVS.

Bild 3: Mindestbedingungen für einen TVS. Maxim Integrated

Für die Miniaturisierung von Sensoren ist die typische Layout-Strategie, alle Komponenten des Abwärtswandlers auf einer Ebene zu platzieren, oft nicht möglich. In Bild 4 benötigen ein 300-mA-Abwärtswandler-IC und die passiven Bauelemente (L, R und C) eine beachtliche Leiterplattenfläche (29,3 mm2 Nettofläche).

Die thermische Herausforderung

Bild 4: Typische planare Abwärtswandler-Implementierung (29,3 mm2 Nettofläche).

Bild 4: Typische planare Abwärtswandler-Implementierung (29,3 mm² Nettofläche). Maxim Integrated

Sensoren sind oft in abgedichteten oder umspritzten Gehäusen verbaut, da sie in rauen Umgebungen Verwendung finden. Schon kleine Verlustwärmemengen, die in diesem Gehäuse entstehen, können die Sensortemperatur schnell erhöhen und so die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Der Trend zur Sensor-Miniaturisierung macht das Wärmemanagement noch anspruchsvoller. Die Lösung für diese thermische Herausforderung ist ein Abwärtswandler mit sehr hohem Wirkungsgrad.

In Erinnerung an die obigen Herausforderungen: Für den Einbau in einen kleinen Sensor ist ein effizienter Abwärtsregler erforderlich, der wenig Leiterplattenfläche einnimmt und eine Durchbruchspannung von 60 V aufweist.

Die Lösung: vertikale Integration

Bild 5: 60V/300mA-Modul (2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm).

Bild 5: 60 V/300 mA-Modul (2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm). Maxim Integrated

Eine neuartige Lösung des Platzproblems ist die vertikale Integration der Induktivität auf dem IC. Ein Beispiel ist das Power-Modul Himalaya U-Slic. Es liefert mehr Leistung auf kleinerem Raum als je zuvor, bei hohem Wirkungsgrad und einfacher Bedienung. Das Power-Modul integriert die Induktivität und den Abwärtswandler-IC vertikal und reduziert so den Leiterplattenplatz im Vergleich zur Standard-Abwärtswandlerlösung erheblich. Auch die Anforderungen an die Hochspannungstoleranz und den Hochtemperaturbetrieb erfüllt das Modul so. Das MAXM15064-Modul (Bild 5) ist in einem flachen, kompakten, 10-poligen, 2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm großen Gehäuse erhältlich. Das Bauteil lässt sich in einem Temperaturbereich von -40°C bis +125°C betreiben.

Bild 6: Implementierung des 60-V-/300-mA-Hochspannungsmoduls (21 mm² Nettofläche)

Bild 6: Implementierung des 60-V-/300-mA-Hochspannungsmoduls (21 mm² Nettofläche) Maxim Integrated

Bild 6 zeigt die mit dem 60 V/300 mA-Abwärtswandler-Modul erreichte Größenreduzierung. Das Modul erreicht eine maximale Betriebsspannung von 60 V (nicht nur absolute maximale Spannung) und unterstützt Ausgangsspannungen unter 1,8 V. Durch die vertikale Integration der Induktivität beträgt die Netto-Bauteilfläche 21 mm2. Im Vergleich zur IC-Lösung aus Bild 4 ist die Netto-Bauteilfläche der Modullösung um 28 % kleiner.

Minimale Wärmeentwicklung

Bild 7: Minimale Wärmeentwicklung durch hohen Wirkungsgrad.

Bild 7: Minimale Wärmeentwicklung durch hohen Wirkungsgrad. Maxim Integrated

Bild 7 zeigt den Wirkungsgrad des Moduls mit einer Ausgangsspannung von 5 V und Eingangsspannungen von 12 V bis 60 V. Trotz der geringen Größe liefert der Abwärtswandler einen hohen Wirkungsgrad mit Spitzenwerten von bis zu 90 %. Für eine 24-V-gespeiste Anwendung bietet das Modul über den größten Teil des Betriebsbereichs einen Wirkungsgrad von deutlich über 80 % und gewährleistet so niedrige Leistungsverluste und geringe Wärmeentwicklung.

Geringe Emissionen

Bei der Entwicklung des Leiterplattenlayouts des Moduls minimierte Maxim Integrated die Leiterbahnlängen und vermied zudem Erdschleifen, um die abgestrahlten Emissionen zu minimieren. Der Einsatz von Hochfrequenz-Keramikkondensatoren minimiert leitungsgeführte Emissionen. Sowohl die abgestrahlten als auch die leitungsgeführten Emissionen erfüllen die Spezifikationen CISPR22-CLASS-B.