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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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