Industrielle Ultraschallsensoren Kompaktere Stromversorgung für weniger Verlustleistung

Anforderungen an die Stromversorgung

Im Allgemeinen werden diese Systeme mit einer Gleichspannung im Bereich von 10 V bis 30 V versorgt, die weniger als ein paar hundert mA des gesamten Systemlaststroms liefert. Das System muss vor Verpolung sowie vor Überspannungen (bis 42 V oder 60 V) geschützt werden. Da die Betriebstemperaturbedingungen des Systems in der Regel zwischen 60 °C und 70 °C liegen, müssen die im Sensorsystem integrierten ICs für Temperaturen von bis zu 125 °C ausgelegt sein. Die Schaltleistungsverluste müssen
auf ein Minimum reduziert werden, da diese in direktem Zusammenhang mit der vom System abgegebenen Wärme stehen. Je nach Anwendungsfall kann eine strenge EMV-Prüfung des Systems notwendig sein, daher ist es wichtig, dass die Schaltregler nach CISPR-Standards EMV-geprüft sind und nicht zum Rauschen im System beitragen.

Verlustleistung mit Linearregler

Als Beispiel dient ein Miniatur-Ultraschall-Entfernungsmesssensor, der mit einem 15-V- bis 30-V-Netzteil betrieben wird. Das Gerät muss einer Eingangsspannung von bis zu 60 V standhalten, verschiedene Lastspannungen liefern und bis zu 50 mA Gesamtstrom aufnehmen. Drei typische Lastspannungen sind 5 V bei 5 mA, 3,3 V bei 35 mA und 2,5 V bei 10 mA zur Versorgung des Mikroprozessors, des UltraschallBurstgenerators, des Echoempfangs­pfades (lokales Verbindungsnetz, LIN), des Sigma-Delta-ADC, des SAR-ADC, der Bandlückenspannungsreferenz, des Time-to-Digital-Wandlers usw.

Die Verwendung eines Linearreglers (LDO) zur Erzeugung dieser Lastspannungen ist nicht effizient und erzeugt viel Wärme. In diesem Beispiel stellen sich die Leistungsverluste in den LDOs wie folgt dar:

PLDO = (UINmax – ULAST) x ILAST;
wobei UINmax die maximale Eingangsspannung ist – hier 30 V.
Die Verlustleistungen betragen

  • für das 5-V-LDO: (30 V – 5 V) x 5 mA = 125 mW,
  • für das 3,3-V-LDO: (30 V – 3,3 V) x 35 mA = 935 mW,
  • für das 2,5-V-LDO: (30 V – 2,5 V) × 10 mA = 275 mW.

Die Lastleistung ergibt sich zu: (5 V x 5 mA) + (3,3 V x 35 mA) + (2,5 V x 10 mA) = 166 mW. Die Summe aus Verlust und Lastleistung beträgt 1.501 mW, was eine große Wärmeabstrahlung für den Sensor bedeutet. Zu beachten ist, dass die tatsächliche Nutzleistung für den Betrieb der Sensorschaltung nur 166 mW
beträgt, während 1.335 mW wegen der Ineffizienz des Linearreglers verschwendet werden.

 

87 % weniger Verluste mit Schaltregler

DC-DC-Schaltregler sind effizienter und können die Gesamtverlustleistung erheblich verringern. Im vorliegenden Beispiel gibt ein DC-DC-Regler mit 85 % Wirkungsgrad nur (1/0,85 – 1) x 166 mW = 29,3 mW ab. Das ergibt eine Gesamtverlustleistung von nur 195 mW, was einer Reduzierung um 87 % gegenüber der Stromversorgung mit Linearregler entspricht. Bild 5 veranschaulicht die Differenz der Verlustleistung P_sup zwischen beiden Varianten und zeigt das Verhältnis der vom Sensor benötigten Lastleistung Psensor und Verlustleistung. Die DC-DC-Lösung bietet ganz offensichtlich eine erheblich geringere Verlustleistung als die Linearregler-Lösung.

Die nächste Herausforderung ist die Integration dieser Stromversorgung auf kleinem Raum. Im vorliegenden Beispiel betragen die Außenabmessungen des kubischen Abstandssensors 24,5 mm x 55 mm. Wenn man den Platz für die LED, den Stecker und andere Mechaniken zuweist, bleibt noch eine Platinenfläche von etwa 600 mm2 (15 mm x 40 mm) für die gesamte Elektronik. Ein Standard-DC-DC-Wandler, der eine externe Spule verwendet, würde etwa 10 mm x 15 mm (150 mm2) pro Ausgangsspannung beanspruchen. Bei drei Spannungen würde dementsprechend 450 mm2 oder 75 % der verfügbaren Platinenfläche benötigt. Damit bleibt zu wenig Platz für andere Elektronik.

Kompaktes Leistungsmodul

Effektiver ist ein integriertes Leistungsmodul wie beispielsweise das Himalaya uSLIC MAXM17552 von Maxim. Durch die Integration der Induktivität und der meisten externen Komponenten benötigt das Leistungsmodul nur eine Fläche von 6 mm x 10 mm (60 mm2) pro Ausgangsspannung. Bei drei Spannungen sind das 180 mm2, also nur rund 30 % der Platinenfläche. Das MAXM17552 arbeitet in einem weiten Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 60 V und liefert 100 mA Ausgangsstrom. Die Ausgangsspannung ist programmierbar von 0,9 V bis 5,5 V.

Alternativ sind Leistungsmodule aus der uSLIC-Familie mit Ausgangsströmen von bis zu 2 A erhältlich. Bild 6 zeigt die Größe des MAXM17552 Evaluation Kit. Im Vergleich zu einem DC-DC-Wandler mit externer Spule ist eine Stromversorgung, die auf dem MAXM17552 basiert, um den Faktor 2,5 kleiner.