Texas Instruments: Fly-Buck-Wandler Elektromagnetische Verträglichkeit und Isolation für SPS-Anwendungen

Wie können mit minimalen Kosten und geringer Komplexität galvanisch isolierte, positive und negative Versorgungsspannungen bereitgestellt werden? Ein weiter Eingangsspannungsbereich, mehrere Ausgänge, wenig Platz sowie EMV sind weitere Herausforderungen für Stromversorgungen in SPSen.

In vielen Bereichen der Fabrikautomatisierung – wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Feldtransmitter, Sensoren, Prozessleitsysteme, industrielle Kommunikation, Datenerfassungssysteme, Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human-Machine Interface– HMI) und IGBT-basierte Antriebe – besteht die Forderung nach mehr Funktionalität bei geringerem Platzbedarf. Da die benötigte Fläche und Bauhöhe kritisch sind, müssen Systemdesigner alle Möglichkeiten nutzen, um sparsam mit der wertvollen Leiterplattenfläche umzugehen. Speziell im Bereich der Stromversorgung ist in erster Linie ein robustes Design gefordert, das eine oder mehrere isolierte Versorgungsspannungen zur Verfügung stellt. 

Speicherprogrammierbare Steuerungen stehen im Mittelpunkt des Artikels, der auf die Forderungen nach EMV und Sicherheitsisolation eingeht und exemplarisch einen Leistungswandler mit mehreren Ausgangsspannungen beschreibt. 

I/O-Module für SPS-Anwendungen

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines SPS-I/O-Moduls. Solche Module, die in einer Rack-basierten SPS zum Einsatz kommen, dienen als physikalische Verbindung zwischen der SPS und dem Fabrik- oder Feld-Equipment. In das Rack lassen sich verschiedene I/O-Module einbauen, die als Einschübe ausgeführt sind und in die Backplane eingesteckt werden. 

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines SPS-I/O-Moduls von Texas Instruments. Solche Module, die in einer Rack-basierten SPS zum Einsatz kommen, dienen als physikalische Verbindung zwischen der SPS und dem Fabrik- oder Feld-Equipment. In das Rack lassen sich verschiedene I/O-Module einbauen, die als Einschübe ausgeführt sind und in die Backplane eingesteckt werden. 

Das System in Bild 1 umfasst einen Mikrocontroller, Datenwandlern, Isolatoren, Eingangsverstärker, Strom-/Spannungs-Ausgangstreiber, Referenzen, leitungsgebundene oder drahtlose Konnektivität und einen, auf der Fly-Buck-Topologie basierenden Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgängen. Die analogen I/O-Signale decken typischerweise Spannungsbereiche von 0 bis 5 V, 0 bis 10 V, ±5 V oder ±10 V bzw. Strombereiche von 0 bis 20 mA oder 4 bis 20 mA ab. 

Anforderungen an die Störabstrahlung, Störfestigkeit und Sicherheit 

Fabrik-Equipment, das in der Europäischen Union (EU) auf den Markt gebracht wird, muss nach vollständiger Installation die EMV-Richtlinie (2014/30/EU) und die Niederspannungs-Richtlinie (2014/35/EU) der EU erfüllen. Diese Richtlinien zielen auf die Einhaltung der wichtigsten Anforderungen mithilfe einer Liste harmonisierter Standards, die auf mehreren allgemeinen und produktspezifischen Normen beruhen. In Tabelle 1 sind mehrere Europäische Normen (EN) aufgeführt, die sich auf die Themen EMV und elektrische Sicherheit beziehen. Viele der angegebenen Tests werden auf der Systemebene an den Stromversorgungs- oder Daten-Ports durchgeführt. Die Low-Voltage-Richtlinie kommt zum Einsatz, wenn die Ein- oder Ausgangsspannung zwischen 75 und 1.500 V DC bzw. zwischen 50 und 1.000 Vrms AC liegen. 

Die EN 61131-2 spezifiziert die Anforderungen und Tests speziell für SPS und die zugehörigen Peripheriefunktionen. Die Norm ersetzt zwar die allgemeinen Normen für Störfestigkeit (EN 50082-2) und Sicherheit (EN 61010-3), jedoch werden generische Normen nach wie vor für Störabstrahlung (EN 61000-6-2) und AC-Oberschwingungen/Schwankungen (EN 61000-3-2) für mit Wechselstrom betriebene Geräte verwendet. Auch verschiedene Tests aus der EN 61000-4 (Prüfung der Störfestigkeit gegen die Entladung statischer Elektrizität) beispielsweise für elektrostatische Entladungen (ESD), elektrisch schnelle Transienten (Electrical Fast Transient – EFT)/Burst und Blitzschlag sowie die Störfestigkeit gegen leitungsgeführte/gestrahlte HF-Störgrößen werden genutzt. 

Auswahl einer Stromversorgung

Das Angebot an Wandlern oder Controllern ist groß. Die Entscheidung hängt zunächst einmal von der Eingangsspannung und dem geforderten Ausgangsstrom ab. Produkte mit großem Eingangsspannungsbereich weisen übergroße Nennspannungen und Reserven auf, um mit den in der EN 61000-4 beschriebenen Versorgungsspannungs-Transienten zurechtzukommen. Für eine bestimmte SPS muss die Stromversorgung so gewählt werden, dass sie ausreichend Leistung für die gegebene I/O-Konfiguration und die Zahl der standardmäßig oder optional vorhandenen Modulsteckplätze bereitstellt. Mehrere isolierte Wandlerausgänge sind besonders dann erforderlich, wenn auch die Kanäle untereinander isoliert sein müssen, um Schutz vor Transienten und Erdschleifen zu bieten. 

Die Fly-Buck-Schaltung mit ihrem großen Eingangsspannungsbereich hat es unter den verschiedenen Buck-basierten Topologien zu gewisser Popularität gebracht und gewinnt unter den Entwicklern von Stromversorgungen immer mehr Freunde. Das bemerkenswerteste Merkmal eines Fly-Buck-Wandlers ist das, was fehlt. Auf dem zuverlässigen synchronen Abwärtswandler aufbauend, finden sich in 

der Fly-Buck-Topologie nämlich weder eine Schleifenkompensation noch Optokoppler in der Rückkoppelschleife. Auch ein Fehlerverstärker ist überflüssig, und die COT-Regelung (Constant On Time) sorgt mit ihrer nahezu verzögerungsfreien Reaktion für hervorragende dynamische Eigenschaften. Die Regelung erfolgt über Primärseite mit einem konventionellen Widerstandsteiler. Die Schaltfrequenz wird durch den Dauerleitungsbetrieb (Continuous Conduction Mode – CCM) konstant gehalten. 

Im Interesse größtmöglicher Flexibilität sind sowohl isolierte als auch nicht-isolierte Ausgänge vorhanden. Fly-Buck-Wandler eignen sich aus diesem Grund hervorragend für Hilfs- und Bias-Stromversorgungen, für galvanisch isolierte Stromversorgungen für Digitalisolatoren (Bild 1) sowie zur Bereitstellung bipolarer Versorgungsspannungen für hochpräzise Verstärker und Datenwandler. Sollen zusätzliche Ausgänge hinzugefügt werden, muss lediglich eine Sekundärwicklung mit der passenden Windungszahl hinzugefügt werden. Außerdem sind eine Gleichrichterdiode und ein Ausgangskondensator erforderlich. 

In Designs mit beengten Platzverhältnissen lassen sich zwei, drei, vier oder mehr Ausgänge mit einem kompakten magnetischen Bauelement realisieren. Als Wandler mit mehreren Ausgängen ist die Fly-Buck-Topologie hervorragend für SPS-Anwendungen geeignet, in denen ein hoher Integrationsgrad verlangt wird, weil Kanalzahl und Funktionsdichte zunehmen, während die Gehäuse immer kleiner werden.