Power-Tipp Sensoren: Stabile Stromversorgung für kleine Automatisierungssysteme

Redakteur: Kristin Rinortner

Für den zuverlässigen Betrieb von Stromversorgungen für miniaturisierte Sensoren müssen Sie Komponenten mit den richtigen Nennwerten wählen. Hochspannungsmodule helfen nicht nur bei Miniaturisierung und Zuverlässigkeit, sondern vereinfachen auch den Schaltungsentwurf.

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Feldsensoren: Sensor-Gehäuse werden immer kleiner. Die Elektronik muss trotzdem die Zuverlässigkeit über die Lebensdauer der Komponente gewährleisten.
Feldsensoren: Sensor-Gehäuse werden immer kleiner. Die Elektronik muss trotzdem die Zuverlässigkeit über die Lebensdauer der Komponente gewährleisten.
(Bild: TI)

Feldsensoren für industrielle Automatisierungssysteme enthalten immer mehr Elektronik (Mikroprozessor, A/D-Wandler, Spannungsregler usw.), müssen aber dennoch in winzige Gehäuse passen. Üblich sind beispielsweise Schraubgehäuse mit einem Durchmesser von 8 mm.

Weitere Herausforderungen birgt die Stromversorgung solcher Module, die oftmals aus der industrieüblichen Busspannung von 24 V erfolgen muss. Abhängig davon, wie lang die Zuleitung ist, kann es auf der Versorgungsspannung zu Spannungsspitzen kommen, vor denen die Sensorelektronik geschützt werden muss.

Bis zu 48 oder 60 V sind hier möglich, sodass der verwendete Spannungsregler für die größte zu erwartende Spannung ausgelegt werden muss, um einen kontinuierlichen Betrieb beispielsweise von Feldsensoren zu gewährleisten.

Spannungssicherheit: Wichtig ist der richtige Pin-Abstand

Der TPSM265R1 ist ein für Spannungen bis 65 V geeignetes Embedded-Power-Modul, das den Spannungsregler und die Induktivität enthält. Damit ein solches Power-Modul für hohe Spannungen geeignet ist, reicht es jedoch nicht, dass der eingebaute Spannungsregler hochspannungsfest ist. Vielmehr muss auch der Pin- bzw. Pad-Abstand des Gehäuses entsprechend ausgelegt sein.

Details hierzu finden sich in der Norm IPC 2221-B. Spezifiziert wird darin, welcher Mindestabstand zwischen den Leiterbahnen erforderlich ist, um bei den im ungünstigsten Fall auftretenden Spannungen einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen.

Nach dieser Vorgabe müssen die Ränder der Leiterbahnen mindestens 0,5 mm voneinander entfernt angeordnet sein, damit der Regler tatsächlich eine Dauerspannung von 65 V verträgt.

Wie die Anschlussanordnung des TPSM265R1 in Bild 1 verdeutlicht, sind die Pins des Bausteins in er Regel 0,3 mm breit und in einem Raster von 0,8 mm angeordnet. Daraus resultiert ein Abstand von Pin zu Pin von 0,5 mm. Die Anforderungen gemäß den Vorgaben des Standards IPC 2221-B sind demzufolge erfüllt.

Miniaturisierung versus Spannungssicherheit

Bild 1: Anschlussanordnung des TPSM265R1.
Bild 1: Anschlussanordnung des TPSM265R1.
(Bild: TI)

Den Vorgaben der IPC-Norm steht jedoch die eingangs erwähnte Notwendigkeit zur Miniaturisierung entgegen – wie soll die gesamte Elektronik in ein 8-mm-Schraubgehäuse passen? Um die Forderungen nach dem nötigen Pin-Abstand und nach möglichst kleinen Abmessungen miteinander in Einklang zu bringen, ist ein sorgfältiges Design gefragt.

Texas Instruments hat das Gehäuse-Layout des TPSM265R1 deshalb mit Blick auf platzsparende Lösungen konzipiert. Das Beispiel-Layout in Bild 2 berücksichtigt die minimal erforderlichen Bauelemente für eine Lösung mit fest eingestellter Spannung von 3,3 oder 5 V.

Bild 2: Exemplarisches Layout mit dem TPSM265R1.
Bild 2: Exemplarisches Layout mit dem TPSM265R1.
(Bild: TI)

Zusätzlich zu dem 2,8 mm x 3,7 mm messenden Modul werden zwei Kondensatoren benötigt. Verwendet man MLCC-Kondensatoren der Baugröße 0805 (2,0 mm x 1,25 mm), lässt sich die Gesamtlösung für Ausgangsspannungen von 5 oder 3,3 V mit Abmessungen von 3 mm x 7 mm realisieren.

Dass dabei der Eingangskondensator sehr nahe zu den VIN- und GND-Pins des Power-Moduls angeordnet ist, ist sogar sehr günstig, denn so werden etwaige Oszillationen am Schaltknoten eingedämmt.

Beim Design von Stromversorgungen für miniaturisiertes Equipment in industriellen Automatisierungslösungen kommt es darauf an, dass alle verwendeten Bauteile die notwendigen Kenndaten für einen zuverlässigen Betrieb aufweisen.

Mit Bedacht entwickelte Power-Module helfen Entwicklern nicht nur, mit den beengten Platzverhältnissen zurecht zu kommen und die Langzeit-Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sondern können zusätzlich auch den Designprozess vereinfachen.

Erstellt nach Unterlagen von Texas Instruments.

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