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Aktuelle Stromversorgung für industrielle Sensorik: Ausgabe 06/2020, 16.04.2020

Die Grenzen konventioneller Lösungen

Vom industriellen IoT (IIoT) bis hin zu Medizin- und Verbrauchsgeräten – alle Systeme müssen Daten messen, sammeln, synthetisieren und auf der Grundlage von Daten handeln. Die Sensorik spielt dabei eine sehr wichtige Rolle.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Maxim Integrated

Die vierte industrielle Revolution, die allgemein als Industrie 4.0 bezeichnet wird, hat Auswirkungen auf den aktuellen Trend der Automatisierung und auf den Datenaustausch in der Fertigung, wo cyberphysikalische Systeme, das IIoT, Cloud Computing und kognitives Computing gemeinsam Aufgaben bewältigen. Heute sind intelligente, präzise Sensoren und Encoder weit verbreitet und haben elektronische Geräte mit neuer Intelligenz ausgestattet, wodurch sie mit hoher Präzision miteinander und mit Menschen in Echtzeit kommunizieren und kooperieren und dezentralisierte Entscheidungen treffen können.
Diese neue Intelligenz erfordert ein geringes Systemrauschen, aber eine höhere Leistung in immer kleineren Räumen, ohne das thermische Budget negativ zu beeinflussen. Das macht konventionelle Stromversorgungslösungen unrentabel. Der vorliegende Applikationsbericht von Maxim Integrated untersucht im Detail die Grenzen konventioneller Stromversorgungslösungen für intelligente Sensoren und Encoder und stellt eine neue Lösung vor, die den Anforderungen aktueller Trends gerecht wird.

Smarte Sensoren
Benötigt wurde eine bessere Lösung, um die Anforderungen von «Industrie 4.0», intelligenten Sensoren und rekonfigurierbaren Fabrikbereichen zu erfüllen. Die Lösung ist der industrielle Kommunikationsnetzstandard IO-Link. Er ermöglicht die Intelligenz in den Fabrikbereichen und bietet somit eine bidirektionale Kommunikation zwischen Sensoren und Controller. Das System kann somit Sensoren in Echtzeit abstimmen, konfigurieren und diagnostizieren. Eine traditionelle Fabrik wird normalerweise für ein einzelnes Produkt gebaut und optimiert. Sobald die Produktquote erreicht ist oder die Marktnachfrage zurückgeht, bleibt die Fabrik untätig. Die Neukonfiguration dieser traditionellen Fabrik zur Herstellung eines anderen Produktes erfordert zusätzliche Zeit und Geld.
Eine smarte Fabrik hingegen ermöglicht eine effiziente, «fliegende» Neukonfiguration, um schnell an die Schwankungen der Marktnachfrage angepasst zu werden. Mit der Echtzeitdiagnose ist eine vorausschauende Wartung möglich und die Betriebszeit der Fabrik wird dadurch optimiert. Alle diese Vorteile sind jetzt mit IO-Link, intelligenten Sensoren, Encodern und anderen bereits erwähnten technologischen Fortschritten möglich.

Design von intelligenten Sensoren
Einige Hauptmerkmale eines intelligenten Sensors sind: IO-Link-Konformität, volle Konfigurierbarkeit im Feld, Echtzeitdiagnose und geringe Grösse (um allgegenwärtig zu sein). Diese intelligenten Merkmale erhöhen jedoch die Verlustleistung der Sensoren. Gleichzeitig gibt es bei verschiedenen Herstellern einen stark zunehmenden Trend zur Miniaturisierung.
Um diese interessanten Sensoren mit Strom zu versorgen, stehen die Entwickler vor zwei grossen Herausforderungen: Wärme und Raumbedarf, wobei gleichzeitig ein geringes Rauschen und eine hohe Störspannungsunterdrückung (PSRR) beibehalten werden müssen, um die Genauigkeit des Sensorausgangssignals nicht zu beeinträchtigen.
 
Wärme: Das grösste Designproblem
Wärme ist das grösste Problem für ein Sensordesign. Der Bericht zeigt errechnete Verlustleistungszahlen, bei denen die LDOVerlustleistung dominiert. Die übermässige Verlustleistung des LDOs begrenzt den Strom, den die Sensorschaltung akzeptiert, und hemmt somit die Innovation.
Bei einem Sensorstrom von 15 mA passt die Verlustleistung kaum in eine M8-Steckverbindung, die eine Wärmeableitungsgrenze von etwa 450 mW hat. Bei 30 mA Sensorstrom kann nicht einmal ein M12 Verbindung die Wärmeabgabe von 900 mW tolerieren. Andererseits bietet der LDO ein ausgezeichnetes PSRR, was wichtig ist, um den Sensor- (und auch den Encoder-) Schaltkreisen eine rauscharme Versorgungsspannung für einen genauen Betrieb zu liefern.

Eine «Verlustrechnung»
Es ist klar, dass man eine effizientere Stromversorgungslösung benötigt, um die aufgezeigten thermischen Anforderungen zu erfüllen und die rauscharme Ausgangsspannung beizubehalten. Der Bericht schildert eine DC-DC-Wandler-Lösung, gefolgt von einem LDO. Der DC-DC-Wandler bietet einen hohen Wirkungsgrad, der die Wärmeabgabe reduziert, während der LDO ein ausgezeichnetes rauscharmes Ausgangssignal bietet.
Bei einem Sensorstrom von 30 mA und einem Wirkungsgrad von 85 Prozent verbraucht der DC-DC-Wandler nur 26 mW, der LDO nur 50 mW. Die Gesamtverlustleistung des Geräts (einschliesslich der Sensorverlustleistung von 100 mW) beträgt 176 mW. Im Vergleich zu der 900 mW Verlustleistung der traditionellen LDO-Lösung verbraucht die (DC-DC + LDO)Lösung nur etwa 20 Prozent.

Interessante IC-Lösung
Maxim bietet jetzt einen hoch integrierten Power-Management-IC an, der für die hohen Anforderungen von IIoT-Anwendungen ausgelegt ist. Der MAX17671 integriert sowohl den DC-DC-Wandler als auch einen LDO zusammen in einem platzsparenden 3 mm x 3 mm grossen, 10-poligen TDFN-Gehäuse und bietet damit eine gute Anwendungsoption für intelligente Sensoren und Encoder.
Der MAX17671 akzeptiert eine Eingangsspannung von 6,5 V bis 60 V und erzeugt einen effizienten 5 V-Ausgang, der wiederum den integrierten LDO antreibt, um einen rauscharmen 3,3 V-Ausgang zur Versorgung der Sensor-/Kodiererschaltungen zu liefern.


Applikationsbericht: 06_20.50.pdf

Infoservice
Maxim Integrated
Landsberger Str. 300, DE-80687 München
Tel. 0049 800 1824943
www.maximintegrated.com

 



Typisches Schaltungsschema des MAX17671 im 10-Pin TDFN-Gehäuse