Power-Tipp Ideale Stromversorgung für Schleifen von 4 bis 20 mA

Um möglichst viel Elektronik mit 4 mA zu versorgen, benötigt man einen sehr effizienten Spannungswandler, welcher die Versorgungsspannung von 3,3 V für lokale Elektronik im Sensor generiert. Mithilfe des Konzepts ‘Single Pulse Peak Current PFM Control‘ wird eine sehr hohe Wandlungseffizienz garantiert.

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Analog Devices

Stromschnittstellen mit 4 bis 20 mA sind in vielen industriellen Anwendungen sehr beliebt. Das Konzept einer Stromschleife, in welcher Information durch unterschiedliche Ströme übertragen wird, ist außerordentlich robust gegen Störungen. Somit lassen sich beispielsweise Sensoren in großen Industrieanlagen über weite Entfernungen anbinden.

Eine Spannung wird eingeprägt, der Sensor stellt einen Strom zwischen 4 und 20 mA ein, damit durch eine Strommessung der Messwert des Sensors ausgewertet werden kann. Ein solches System funktioniert mit einer einfachen Zweidrahtleitung. Zusätzliche Energiequellen stehen dem Sensor üblicherweise nicht zur Verfügung. Moderne Sensoren sollen neben dem Messen eines Wertes auch noch weitere Aufgaben übernehmen können.

Beispielsweise soll eine neue Kalibrierung, eine Kommunikation von zusätzlichen Messdaten oder die lokale Datenvorverarbeitung der Sensorsignale stattfinden. Diese zusätzlichen Funktionen benötigen Strom. Der kann bis 4 mA aus dem System abgezweigt werden. Ein höherer Stromverbrauch als 4 mA würde sich als übertragener Messwert auswirken und ist somit nicht zulässig.

Um möglichst viel Elektronik mit 4 mA zu versorgen, benötigt man einen sehr effizienten Spannungswandler, welcher die übliche Versorgungsspannung von 3,3 V für lokale Elektronik im Sensor generiert. Bild 1 zeigt das Konzept eines Sensors, welcher mit dem Versorgungsstrom von kleiner als 4 mA weitere Elektronikbauteile versorgt. Dies kann beispielsweise ein HART-Modem oder ein lokaler Mikrocontroller sein.

Der DC/DC-Wandler der Stromversorgung muss für die gewünschte hohe Leistungseffizienz unbedingt ein Schaltregler sein. Dieser soll robust sein und eine hohe Spannung vertragen können, um in rauer Industrieumgebung eingesetzt werden zu können. Zusätzlich gibt es noch eine Anforderung, welche mit herkömmlichen Schaltregler-ICs nur schwierig zu erfüllen ist.

Wenn ein HART-Modem im System verbaut ist, dürfen insbesondere im Frequenzbereich unter 10 kHz so gut wie keine Störungen auftreten. Der Schaltregler muss also höchst effizient bei kleinen Strömen arbeiten, ohne in einen Modus mit sehr geringer Schaltfrequenz, (insbesondere unterhalb von 10 kHz) zu fallen. Ein spezielles Regelschleifenkonzept, bei welchem ein Zyklus dann beendet wird, wenn der Spulenstrom einen festgelegten Wert erreicht hat, hilft das Schaltverhalten bei niedrigen Lastströmen von weniger als 10 mA zu optimieren.

Das Konzept nennt sich ‘Single Pulse Peak Current PFM Control‘. Bild 2 zeigt das Verhalten des Spulenstroms bei den entsprechenden Schalterzuständen. Wenn die Spannung FB unter eine Spannungsschwelle fällt, beginnt ein Schaltzyklus. Wenn dann eine, in Bild 2 als gestrichelte Linie dargestellte, Stromschwelle erreicht ist, wird der obere Schalttransistor abgeschaltet.

Um das Schaltverhalten noch besser auf jede mögliche Anwendung anzupassen, besteht die Möglichkeit, die Stromschwelle, bei welcher der Schaltzyklus beendet wird, mit einem Widerstand einzustellen. Der Schaltregler arbeitet bei dieser Einstellung besonders energiesparend. Nur beim erstmaligen Einschalten wird der Wert des Einstellwiderstandes erkannt und dann für den weiteren Betrieb des Schaltreglers mit dieser Einstellung beibehalten.

Hohe Wandlungseffizienz und kleine Induktivitäten

Durch dieses Konzept wird eine sehr hohe Wandlungseffizienz bei vorhersehbaren Schaltfrequenzen, welche nicht in einem für die Anwendung kritischen Bereich liegen erreicht werden, erreicht. Ein weiterer Pluspunkt dieser Architektur ist, dass für eine Optimierung des Schaltverhaltens sowie der Wandlungseffizienz Induktivitäten mit nur sehr kleinen Werten benötigt werden.

Dies ist besonders bei Anwendungen mit Sensoren, welche in explosiven Medien betrieben werden, hilfreich. Zur generellen Robustheit trägt die Tatsache bei, dass der ADP2360 mit einer maximalen Eingangsspannung bis zu 60 V betrieben werden kann.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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