Synchroner Buck-Wandler

Buck-Wandler für intelligente Feldsensor-Applikationen

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Erfassung von mehreren Prozessgrößen

In vielen Anwendungen werden zwei oder mehr (primäre oder nicht-primäre) Prozessgrößen erfasst [6]. Häufig ist die Primärvariable von einer oder mehreren Sekundärvariablen abhängig. Zum Beispiel erfassen Massenfluss-Messwertgeber für Erdgas oder Dampf die Druckdifferenz (die Roh-Durchflussmenge) im Verbund mit dem statischen Prozessdruck und Temperaturmessungen, um kompensierte Massenfluss-Werte zu liefern. Die Überwachung nicht-primärer Größen kann von Vorteil sein, wenn eine oder mehrere der Größen von besonderer Relevanz für die Sicherheit oder Qualität eines Prozesses sind.

Abgesetztes Display und Benutzeroberfläche

Einige Zweidraht-Messwertgeber können Informationen anzeigen oder über eine Benutzeroberfläche Eingaben von Bedienern entgegennehmen. Das abgesetzte Display und der Messwertgeber können je nach der Komplexität des Displays zusammen mehr als 4 mA aufnehmen.

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Niederohmige Messbrücken mit hohen Erregerströmen

Die gängigen Impedanzen der Messbrücken von Dehnungs- und Drucksensoren liegen zwischen 120 Ω und 10 kΩ. Die 120-Ω-Brücke nimmt bei 5 V Versorgungsspannung einen Strom von 40 mA auf. In einigen Lösungen werden Widerstände mit der Messbrücke in Reihe geschaltet, um die Brückenimpedanz zu erhöhen und dadurch die Stromaufnahme des Sensors zu reduzieren, was auf Kosten der Ausgangsempfindlichkeit des Sensors geht. Die Verfügbarkeit eines größeren Strombudgets ermöglicht ein höheres Sensorausgangssignal, sodass das Analog Front End (AFE) weniger Verstärkung aufweisen muss.

Versorgung von Sensoren mit hocheffizienten Buck-Wandlern

Ein synchroner Buck-Wandler muss die Sensorschaltung zuverlässig mit Strom versorgen, auch wenn nur die minimale Eingangsleistung verfügbar ist und der Messwertgeber mit seiner Compliance-Spannung von typisch 10 V oder weniger arbeitet. Diese entspricht der Spannung zwischen den Anschlüssen Loop+ und Loop- (Bild 2). Dementsprechend kommt es auf einen äußerst hohen Wirkungsgrad in einem Ausgangsstrombereich von 1 bis 20 mA an. Eine Gleichspannungswandler-Lösung mit einem großen Eingangsspannungsbereich bietet großzügigen Freiraum, um außerdem mit Spannungsspitzen auf der Versorgungsspannung zurechtzukommen, wie sie in den Messverfahren der Norm IEC 61000-4 aufgeführt sind [7, 8].

Der LM5165 ist ein Beispiel für einen synchronen Buck-Wandler, der auch in Anwendungen mit schwankender Spannung eine genau geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Diese monolithische 150 mA Abwärtswandler-Lösung zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine extrem geringe Ruhestromaufnahme (IQ) aus. Der Buck-Wandler weist einen Eingangsspannungsbereich von 20:1 auf, verkraftet widerholte Stoßspannungen von 65 V und ist unempfindlich gegen starke Spannungsausschläge an seinem Eingang. Kritische ist diese Transienten-Immunität in Sensoranwendungen, in denen hohe Zuverlässigkeit und erweiterte Produktlebenszyklen zwingend erforderlich sind.

Bild 3 zeigt den Schaltplan eines mit minimalem Bauteileaufwand konfigurierten Wandlers. Zur Einhaltung der Norm IEC 61000-4 wurde ein Eingangsfilter mit Verpolungs- und Überspannungsschutz hinzugefügt.

Der in einem kompakten, nur 3 x 3 mm großen WSON-10-Gehäuse mit integrierten Leistungs-MOSFETs angebotene LM5165 ist äußerst einfach anzuwenden und benötigt keine Bauelemente zur Kompensation des Regelkreises. Die Versionen mit fester Ausgangsspannung von 3,3 V oder 5 V erfordern für den Betrieb lediglich eine Filter-Induktivität und zwei Kondensatoren, und der einstellbare Sollwert lässt sich mit nur zwei Feedback-Widerständen im 0402-Format festlegen.

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