Analog Devices IoT-Systeme sicher versorgen

Das µModule LTM4661 eignet sich zur Versorgung von IoT-Systemen
Das µModule LTM4661 von Analog Devices eignet sich zur Versorgung von IoT-Systemen

Durch die Verbreitung des IoT werden in industriellen und medizinischen Anwendungen immer mehr Sensoren verbaut. Gleichzeitig erfordern diese oft platzkritischen Systeme mit ihren hohen Anforderungen eine neue Klasse an kleinen, kompakten und thermisch effizienten DC-DC-Wandlern.

Geräte des Internets der Dinge im mittleren und unteren Leistungsspektrum haben üblicherweise nur mäßige Anforderungen an die Leistungswandler. Meist genügen Wandler-ICs, die im Schnitt einige hundert Milliampere bereitstellen können, aber in der Spitze können die Ströme auch deutlich höher sein, etwa während der Datenübertragung oder bei Video. Entsprechend hat mit der Ausbreitung drahtloser Sensoren in zahlreichen IoT-Geräten auch die Nachfrage nach kleinen, kompakten und effizienten Wandler-ICs zugenommen, die speziell auf diese Anforderungen zugeschnitten sind.

Allerdings haben die meisten Industrie- und Medizinprodukte im Gegensatz zu vielen anderen Applikationen viel höhere Standards bezüglich Zuverlässigkeit, Größe und Robustheit. Daraus ergeben sich erwartungsgemäß viele Herausforderungen beim Design der Stromversorgung und den zugehörigen unterstützenden Komponenten. Industrielle und auch medizinische IoT-Produkte müssen zuverlässig arbeiten und nahtlos zwischen den verschiedenen Energiequellen umschalten, zum Beispiel zwischen Steckernetzteilen und einer Backup-Batterie. Zusätzlich müssen die Entwickler große Anstrengungen unternehmen, um ihr System vor Fehlverhalten zu schützen und gleichzeitig die Betriebsdauer zu maximieren, wenn diese von Batterien aus versorgt wird. Und sie müssen sicherstellen, dass das System an jeder Quelle normal arbeitet. Auch muss die interne Stromversorgungsarchitektur des Systems robust sowie kompakt sein und minimale Anforderungen an die Kühlung haben.

In einem industriellen IoT-System, das drahtlos Daten überträgt, setzen Entwickler oft Linearregler ein. Der Hauptgrund dafür liegt darin, die elektromagnetische Störabstrahlung (EMI) zu minimieren. Auch wenn Schaltregler mehr Störungen abstrahlen als Linearregler, ist ihre Effizienz unschlagbar, und die erhöhten Störpegel lassen sich selbst in empfindlichen Applikationen beherrschen, da das Verhalten der Schaltregler heute berechenbar ist. Arbeitet der Schaltregler im normalen Betrieb mit fester Frequenz und sind die Schaltflanken sauber sowie vorhersehbar ohne Überschwingen oder hochfrequentes Nachschwingen, dann ist die Störabstrahlung minimiert. Darüber hinaus bieten kleine Gehäuse und eine hohe Schaltfrequenz ein kleines Layout mit geringer Störabstrahlung. Auch lassen sich dort Keramikkondensatoren mit geringem ESR einsetzen, die den Ripple von Eingangs- und Ausgangsspannung reduzieren, die zusätzliche Störquellen im System sind.

Die Hauptstromversorgung von IoT-Geräten erfolgt mit einer Gleichspannung von 24 V oder 12 V meist aus einem externem Netzadapter und/oder einer Batteriebank. Diese Spannungen werden dann auf 5 V und/oder 3,x V mit synchronen Tiefsetzstellern heruntergewandelt. Dennoch hat die Anzahl der internen nachgeregelten Versorgungsschienen in vielen IoT-Geräten zugenommen, da die Betriebsspannungen weiter sinken.

Nichtsdestotrotz benötigen viele dieser Systeme weiterhin 3,x V und 2,x V oder 1,x V für die Versorgung von Sensoren, Speicher, Mikrocontrollern, I/Os und Logikschaltungen. Die internen Leistungsverstärker für die Datenübertragung erfordern ebenfalls weiter 12 V mit bis zu 800 mA für die Übertragung der erfassten Daten zu einem abgesetzten zentralen Hub. Traditionell werden die 12-V-Schienen von einem Abwärtsregler versorgt. Hierfür ist spezielles Designwissen erforderlich, und auch der Platzbedarf auf der Platine ist beträchtlich.