Synchroner Buck-Wandler Buck-Wandler für intelligente Feldsensor-Applikationen

Autor / Redakteur: Timothy Hegarty * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Intelligente Feldsensor-Applikationen stellen hohe Anforderungen an eine Stromversorgung, da die vom Sensor kommenden Signale möglichst ungestört übertragen werden sollen.

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Dicht bestückte Implementierung eines synchronen Buck-Wandlers.
Dicht bestückte Implementierung eines synchronen Buck-Wandlers.
(Bild: Bild: Texas Instruments)

Die Funktionalität von Feldsensor-Transmittern, die in industriellen Automations- und Steuerungsanlagen zum Messen von Temperaturen, Drücken, Durchflussmengen, Füllständen und zahlreichen weiteren Prozessgrößen eingesetzt werden, hat viele Dimensionen. Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Drucksensor-Transmitters. Enthalten sind ein Quarter-Bridge-Dehnmesstreifen, ein Mikrocontroller (MCU), ein Datenwandler, ein Eingangsverstärker, ein Ausgangstreiber, Isolatoren, eine Displayeinheit, Anschlussoptionen und ein Power-Management-Teil. Bei der Erfassung von Messgrößen in industriellen Umfeldern besteht die entscheidende Herausforderung darin, die vom Sensor kommenden Signale mit ihren geringen Amplituden in der Gegenwart starker Störungen und hoher Stoßspannungen aufzubereiten [1].

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Das Eingangssignal des Drucksensors muss in eine präzise elektrische Größe verwandelt und anschließend aus dem Feld über eine robuste Schnittstelle an eine zentrale Steuerungseinheit übertragen werden. Ein Beispiel für eine solche Schnittstelle ist die traditionelle zweiadrige 4-20-mA-Stromschleife, die nach wie vor große Beliebtheit genießt, wenn in industriellen Umgebungen mit hohem Störaufkommen Signale über längere Strecken übertragen werden müssen. Die analoge Schleife kommuniziert einerseits die erfasste Primärvariable (PV) und versorgt andererseits die Messwertgeber-Schaltung mit Strom, sofern dabei die Grenze des minimalen Schleifenstroms nicht überschritten wird [2].

Intelligente Sensorsysteme mit hohem Strombedarf

Während der Mikrocontroller und die Datenwandler einer grundlegenden Messwertgeber-Schaltung in der Regel für geringe Stromaufnahme optimiert sind (Bild 2), haben die Feature-Ausstattung und die umfangreichere Funktionalität von Hochleistungs-Sensoranwendungen einen höheren Strombedarf zur Folge. Intelligente Sensorsysteme dieser Art sind möglicherweise nicht in der Lage, die typischen Bereichsunterschreitungs-Grenzströme oder den Nullpunkt-Strom von 4 mA, wie er von der 4-20-mA-Stromschleife verlangt wird, einzuhalten. Zum Beispiel besitzt ein programmierbarer D/A-Wandler (DAC) und Schleifentreiber wie der DAC161S997 von sich aus einen ERROR_LOW-Grenzstrom von 3,375 mA. Ströme unterhalb dieses Werts werden zur Übertragung von Fehlerinformationen zu Diagnosezwecken verwendet [3].

Um einem über die Stromschleife gespeisten Messwertgeber mehr Leistung zur Verfügung stellen zu können, bietet ein hocheffizienter, geschalteter Hochvolt-Gleichspannungswandler eine eingebaute Stromvervielfachungs-Funktion, die man bei einem klassischen LDO (Low-Dropout-Linearregler) vergeblich sucht.

Ein erhöhtes, über den Bereichsuntergrenzen-Alarm von 3,375 mA hinausgehendes Strombudget gibt den Entwicklern intelligenter Sensorapplikationen den nötigen Freiraum zur Umsetzung neuer Funktionen. Hierzu werden nachfolgend einige Beispiele angeführt.

Messwertgeber mit isoliertem Eingang

Sensor-Messwertgeber mit isoliertem Eingang benötigen eine von der Stromschleifen-Versorgung galvanisch isolierte Versorgungsspannung zum Speisen des Sensors. Die Kommunikation des Sensors über die Isolationsbarriere hinweg erfolgt in der Regel über eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) und einen Digitalisolator. Sowohl der Digitalisolator selbst als auch die isolierte Leistungsstufe ziehen allerdings relativ viel Strom. Darüber hinaus benötigt das System auch einen A/D-Wandler (ADC), einen Mikrocontroller und einen DAC, die alle aus dem Strombudget von weniger als 4 mA versorgt werden müssen.

Eine leistungsfähigere Stromquelle ermöglicht auch mehrkanaligen Digitalisolatoren den Betrieb mit schnelleren digitalen Signalen.

Hochleistungs-MCUs für komplexe Berechnungen

Die Linearisierung des Sensorausgangs ist eine wichtige Funktion zur Einhaltung der Genauigkeitsvorgaben. In der Regel werden Hochleistungs-MCUs benötigt, um komplexe Berechnungen auszuführen und unterschiedliche Grade an Rechenleistung bereitzustellen. Hierdurch eröffnen sich vielfältige MCU-Optionen beispielsweise in Bezug auf Taktfrequenz, Speicherausstattung, Konnektivität, Peripherie und Verlustleistungs-Optimierung.

Kalibrierung und erweiterte Diagnosefunktionen

Statusinformationen, Kalibrierung und Diagnose lassen den Strombedarf weiter ansteigen. Zum Beispiel beruht die Funktion des HART®-Protokolls darauf, dass dem Gleichstrom der 4-20-mA-Stromschleife ein Signal mit einer Amplitude von 1 mA (Peak to Peak) überlagert wird [4]. Auch die WirelessHART®-Adapter, die zum Abrufen und Übermitteln von Diagnoseinformationen dienen, ziehen Strom aus der Stromschleife des leitungsgebundenen Messwertgebers [5].

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.

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.

Robuste, zuverlässige Buck-Wandler-Implementierung

Bild 4 zeigt die Implementierung eines Wandlers mit hoher Bestückungsdichte. Die Integration der Feedback-Widerstände bei den Versionen mit fest eingestellter Ausgangsspannung erlaubt die Verwendung hoher Widerstandswerte. Diese Integration senkt die Ruhestromaufnahme ohne angeschlossene Last, ohne die Rauscheigenschaften zu beeinträchtigen. Das Design minimiert die vom System ausgehenden Störungen, da der hochohmige Widerstandsteiler integriert ist und beim Layout darauf geachtet wurde, empfindliche Netze von jeglichen Störquellen im Wandler selbst oder im System abzuschirmen [9].

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Eingebaut sind außerdem mehrere Features zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Sicherheit. Dazu gehören eine intern vorgegebene oder von außen einstellbare Softstartfunktion (SS) für den Ausgang und eine präzise Enable-Funktion mit individuell einstellbarer Hysterese für eine programmierbare UVLO-Funktion (Under-Voltage Lockout). Als weitere eingebaute Features sind der Übertemperaturschutz mit automatischer Regenerierung und ein als Open-Drain-Anschluss ausgeführter PGOOD-Indikator für das Sequencing und zur Fehlermeldung zu erwähnen.

Die zyklusweise Spitzenstrombegrenzung des Bausteins gewährt einen eingebauten Schutz vor Überlastungen und Kurzschlüssen am Ausgang. Darüber hinaus lässt sich der Baustein ohne Schwierigkeiten für einen niedrigeren Grenzstrom konfigurieren, sodass in dicht bestückten Anwendungen, in denen die Ströme geringer sind, mit kleineren Induktivitäten und Kondensatoren gearbeitet werden kann.

Konfiguration der UVLO- Funktion für den Eingang

Der präzise Enable-Eingang unterstützt eine einstellbare UVLO-Funktion mit Hysterese. Letztere lässt sich über den HYS-Anschluss unabhängig programmieren, um anwendungsspezifischen Power-up- und Power-down-Anforderungen gerecht zu werden. Der EN-Eingang lässt sich mit einem externen Logiksignal ansteuern, um den Ausgang für das Sequencing im System oder zu Schutzzwecken ein- oder auszuschalten.

Speziell Sensoranwendungen können davon profitieren, wenn zwischen VIN und EN ein Widerstandsteiler eingefügt wird, über den sich die Ein- und Ausschaltschwellen der Eingangsspannung präzise festlegen lassen. Der HYS-Pin wird gemeinsam mit der EN-Einstellung genutzt, um die Hysterese der UVLO-Funktion zu vergrößern und dadurch zu verhindern, dass die UVLO-Funktion durch Störungen auf der Schleifenspannung, durch hohe Quellimpedanzen infolge langer Leitungen oder durch Einkopplung hoher Spannungen unter rauen Einsatzbedingungen ungewollt anspricht.

Hoher Wirkungsgrad bei großen Eingangs-Ausgangsspannungsverhältnissen

Im Unterschied zu einem Hochvolt-LDO kommt es bei einem synchronen Buck-Wandler zu keinen großen Verlusten oder erhöhten Sperrschichttemperaturen, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß ist. Für zuverlässige Stromversorgungs-Lösungen ist es unabdingbar, dass sich die Sperrschichttemperatur gegenüber der Umgebungstemperatur nur wenig erhöht.

Ein hoher Wirkungsgrad bei niedriger Ausgangsleistung wird durch die geringe Ruhestromaufnahme sowohl im Sleep-Modus als auch im aktiven Betrieb erreicht, verbunden mit Dioden-Emulation und Pulse-Skipping zur Reduzierung der Schaltaktivität und damit zur Minimierung der Schaltverluste. Dass das hohe Effizienzniveau auch bei höherer Ausgangsleistung erhalten bleibt, ist dem optimierten Schalten der integrierten Leistungs-MOSFETs zu verdanken. Bild 5 zeigt das relativ flach verlaufende Wirkungsgradprofil im kritischen Bereich mit Lastströmen zwischen 1 mA und 30 mA.

Zuverlässige Wandler für vernetzte Messwertgeber

Vor dem Hintergrund des steigenden Bedarfs an intelligent vernetzten Messwertgebern beispielsweise in industriellen Prozesssteuerungs- und Analyseanwendungen, in der Haus- und Gebäudeautomation, auf dem Healthcare- und Medizinsektor, im Smart Metering und in anderen Bereichen eröffnet die leitungsgebundene und drahtlose Konnektivität ein neues Maß an Skalierbarkeit. Zuverlässige Buck-Wandler mit einem weiten Eingangsspannungsbereich, einem hohen Wirkungsgrad, kleinen Abmessungen und großer Beständigkeit gegen netzseitige Transienten werden als Stromversorgung für diese Anwendungen immer wichtiger.

Im Kontext dicht bestückter, aus der 4 - 20-mA-Stromschleife gespeister Sensorknoten ist der Bias-Strom auf maximal 3,6 mA begrenzt. Aus diesem knappen Strombudget müssen sämtliche Funktionsabschnitte des Messwertgebers versorgt werden: die Sensorschnittstelle und die Sensorerregung, die Linearisierungsmethode (MCU), das Überspringen der galvanischen Isolation (falls erforderlich), der Stromschleifentreiber usw. Bei der hier vorgestellten Lösung handelt es sich um einen integrierten, robusten Buck-Gleichspannungswandler, der sich über einen großen Eingangsspannungs- und Laststrombereich hinweg durch hohe Effizienz auszeichnet. Die daraus resultierende kompakte Lösung ließ sich mit minimalem Designaufwand realisieren.

Literaturhinweise:

[1] Peter Semig, Collin Wells und Miro Oljaca: „Design tips for a resistive bridge pressure sensor in industrial process-control systems”, Texas Instruments Analog Applications Journal, SLYT640, Q3 2015

[2] Collin Wells, „2-Wire 4–20mA Sensor Transmitters”, Precision Hub TI blog, 1. März 2015

[3] NAMUR, No. NE 043, „Standardization of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters”, Ausgabe 2003-02-03

[4] “MSP430™ HART Protocol + Modem in a Single Chip Transmitter Reference Design”, TI Designs TIDM-HRTTRANSMITTER, 2015

[5] HART® Kommunikationsprotokoll

[6] „Dual Sensor Measurement Using Single Current-Loop with FSK Modulation Reference Design”, TI Designs TIDA-00483, 2015

[7] IEC Available Basic EMC publications, Testing Techniques/Immunity Tests, Immunity Specifications IEC 61000-4

[8] „How can I protect these devices against industrial transients?” TI E2E™ Community, Precision Data Converters Wiki

[9] Timothy Hegarty, „High density PCB layout of DC/DC converters, Part 1”, Power House TI Blog, 11. September 11 2015

* Timothy Hegarty ist Systems Engineer, Non-isolated Power Solutions, bei Texas Instruments.

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