Wie sich intelligente Messwert­geber zuverlässig versorgen lassen

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Geringes Rausch- und EMI-Aufkommen

Die Konformität des Systems zu den einschlägigen EMI-Vorschriften ist ein immer wichtiger werdendes Bewertungskriterium für Stromversorgungs-Lösungen und stellt einen wichtigen Meilenstein im Designzyklus eines Produkts dar. Speziell in Sensordesigns mit hoher Bestückungsdichte bleibt für EMI-Filter wenig Platz. Hinzu kommt die Forderung, dass der geschaltete Leistungswandler keine Auswirkungen auf die Funktionalität des Sensors haben darf.

Zwei Features des Abwärtswandlers LM5165 dienen zur Minimierung seiner EMI-Signatur. Zur Reduzierung der leitungsgeführten und abgestrahlten Störgrößen ist zunächst eine integrierte aktive Steilheitskontrolle für die Spannungsflanken am Schaltknoten (SW)implementiert.

Wie aus Bild 5 zu entnehmen ist, entlädt der Stromquellen-Gatetreiber die nicht­lineare Gate-Drain-Kapazität (CGD) des high-seitigen MOSFETs, sodass die Spannung an SW weder Überschwinger noch Oszillationen aufweist. CGD nimmt zu, wenn V_DS abnimmt, was einer Zunahme der Spannung an SW entspricht. Darüber hinaus passt der Stromquellen-Gatetreiber das Flankensteilheits-Profil der Spannung an SW an, wenn diese während des Einschaltens von Q1 von GND auf V_IN wechselt. Das Ergebnis ist ein störungsarmes Einschalten von Q1 ohne Spannungs-Überschwinger oder -Oszillationen an SW.

Des Weiteren nutzt die PFM-Regelung des LM5165 einen Boundary-Conduction-Schaltmodus für ein verlustfreies und sanftes Einschalten des high-seitigen MOSFET. Dieses Einschalten erfolgt im Nulldurchgang des Spulenstroms, sodass es zu keinen Sperrerholverlusten in der leitenden Body-Diode des low-seitigen MOSFET kommt. Zusammengenommen führen diese Schalttechniken wegen der geringeren Spannungs- und Strombelastung zu mehr Zuverlässigkeit und Robustheit sowie größeren Reserven für eingangsseitige Spannungsspitzen.

Überdies besteht mehr Toleranz gegenüber nicht-optimalen Leiterplatten-Layouts, und auch die EMI-Filterung gestaltet sich einfacher – speziell im besonders anspruchsvollen Frequenzband oberhalb von 30 MHz [7]. Basierend auf dem Prüfaufbau und den Grenzwerten der Norm CISPR-25, Klasse 5 zeigt Bild 6 die leitungsgeführten Störgrößen des in Bild 4 dargestellten Wandlers im Bereich von 30 MHz bis 108 MHz.

Fazit

Gleichspannungswandler zur Versorgung intelligenter Messwertgeber in industriellen Einsatzumgebungen mit hohem Störaufkommen stellen besondere Anforderungen, zu denen ein hoher Wirkungsgrad, ein weiter Eingangsspannungsbereich (V_IN), eine geringe Ruhestromaufnahme (IQ), kleine Abmessungen, robuste EMV-Eigenschaften und ein geringes Rauschen gehören. Der vorliegende Artikel beschreibt einen mit BLE-Konnektivität ausgestatteten Messwertgeber für mehrere Messgrößen. Darin dient der synchrone Abwärtswandler LM5165 mit weitem V_IN-Bereich als kompakte Stromversorgungs-Lösung mit geringem EMI-Aufkommen, mit der sich die Markteinführungszeit verkürzen und der Kostenaufwand der Gesamtlösung reduzieren lässt.

Literaturhinweise:

[1] “Field Transmitter with BLE Connectivity Powered from 4 to 20-mA Current Loop”; TI-Referenzdesign TIDA-00666,

[2] “Dual Sensor Measurement Using Single Current-Loop with FSK Modulation”; TI-Referenzdesign TIDA-00483,

[3] “Hall Sensor Proximity Sensor w/Fixed Threshold And Temperature Sensing Over IO-Link”; TI-Referenzdesign TIDA-00340,

[4] Timothy Hegarty: “Low-IQ synchronous buck converter enables intelligent field-sensor applications”; Texas Instruments Analog Applications Journal (SLYT671), 2. Quartal 2016,

[5] “Bluetooth low energy software stack,” Texas Instruments full-featured, royalty-free Bluetooth 4.2 certified stack (BLE-STACK), Juni 2016,

[6] Timothy Hegarty: “Valuing wide V_IN, low EMI synchronous buck circuits for cost-driven, demanding applications”; TI Whitepaper SLYY104, Oktober 2016,

[7] Timothy Hegarty: “Reduce buck-converter EMI and voltage stress by minimizing inductive parasitics”; Texas Instruments Analog Applications Journal (SLYT682), 3. Quartal 2016.

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

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