Spannungsversorgung in der Industrie Strom für Mini-SPSen

Spannungsreglermodule speisen in Smart Factories die kleiner werdenden SPSen. Modulare Point of Load (PoL) Converter können die Stückliste reduzieren, die Zuverlässigkeit verbessern und die Entwicklungszeit verkürzen. Vorteil: Die Newcomer sind kleiner, günstiger und stärker als Standard-PoLs.

Dank der Fortschritte in der Automatisierung und dem Datenaustausch in der Fertigungstechnik ist die intelligente Fabrik, neudeutsch „Smart Factory“, in vielen Branchen bereits Realität geworden. Die Produktionshallen sind voll mit Steuerungen, Sensoren, Ein- und Ausgängen (E/A) und Aktoren. Eine Steuerung kann eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, Bild 1), eine Motor-/Motion-Steuerung oder ein Prozessleitsystem (PLS) mit modernen Prozessoren und Mikrocontrollern sein.

Sensoren können entweder digital oder analog, Näherungs-, Vision-, Gewichts- oder Temperatursensoren sein. Bei den Aktoren kann es sich um Roboter, Ventile, Motoren, CNC-Maschinen, Kontaktgeber und andere bewegliche Mechanismen handeln. Ein- und Ausgänge können digital oder analog oder sogar universelle E/As sein, die Sensoren und Aktoren mit Steuerungen verbinden.

Aufbau einer typischen SPS

Bild 2 zeigt eine SPS oder einen Industriecomputer für die Überwachung und Steuerung eines einzelnen Fertigungsprozesses. Die Steuerung umfasst einen Prozessor, E/A-Module, Speicher/Programmierung und eine Stromversorgung. Der 24-V-Feldbus wird mit dem Sperrwandler, einer transformatorbasierten Architektur, die das SPS-Modul von der rauen industriellen elektrischen Umgebung isoliert, auf 5 V abgesenkt. Der Sperrwandler-Ausgang wird durch den Spannungsregler (PoL, Point-of-Load-Wandler) auf die erforderliche SPS-Spannungsschiene heruntergeregelt. SPSen und andere Steuerungssysteme werden durch Softwarepakete wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) orchestriert, die mehrere Schnittstellen und Peripheriegeräte überwachen und steuern.

Die SPS empfängt Daten von Sensoren aus der Fabrikation, verarbeitet diese lokal und steuert die entsprechenden Aktoren an. Die heutigen Sensoren, E/A-Module und Aktoren sind mit internen Prozessoren ausgestattet, die einfache Entscheidungen vor Ort treffen, ohne dass eine Eskalation zur Steuerung erforderlich ist – das verbessert die Produktivität. Werden nicht mehrere Einheiten gleichzeitig einbezogen, ist die SPS nicht einmal beteiligt. Durch die Vernetzung der von allen Geräten generierten Daten mit der Cloud können Analysen in Echtzeit durchgeführt werden, wobei die Fortschritte der künstlichen Intelligenz bei der Festlegung der zu ergreifenden Maßnahmen genutzt werden.

Herausforderung Stromversorgung

Die zunehmende Zahl von Prozessoren und Schnittstellen in jeder Steuerung, jedem Sensor, jedem E/A und jedem Aktuator in der Produktionshalle stellt neue Anforderungen an die Systemhardware: die Komponenten müssen kleiner werden, um noch mehr Elek­tronik in dasselbe Chassis einzubauen; die Energieeffizienz muss verbessert werden, um innerhalb desselben oder eines geringeren Wärmebudgets zu arbeiten; die elektrische/mechanische Sicherheit und Zuverlässigkeit müssen erhöht werden, um Ausfallzeiten zu reduzieren.

Ein die SPS versorgendes Spannungsreglermodul, bei dem die Induktivität vertikal auf dem IC montiert wird, verringert die Stückliste der Gesamtlösung sowie den Platzbedarf, verbessert die Zuverlässigkeit und verkürzt die Markteinführungszeit. Das PoL-Spannungsreglermodul muss darüber hinaus auch effizient sein, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren und so die Zuverlässigkeit des Systems weiter zu verbessern.

Im Beitrag wird zunächst eine Standardmodullösung für die Stromversorgung einer SPS betrachtet und zeigt eine kosteneffektive und hinsichtlich Größe und Wirkungsgrad vorteilhaftere Lösung auf.

Standard-PoL-Modul

Ein Leiterplattenlayout für ein standardmäßiges synchrones 1-A-Schaltreglermodul mit einer Eingangsspannung von 5 V zeigt Bild 3. Der Einbau der Induktivität führt zu einer reduzierten Grundfläche von 16,6 mm2.

Kompaktes PoL-Modul

Inzwischen gibt es auf dem Markt aber kompaktere Lösungen, wie das in Bild 4
gezeigte uSLIC-Modul. Diese Module können einen Laststrom von bis zu 1 A unterstützen und erlauben die Verwendung kleiner, kostengünstiger Ein- und Ausgangskondensatoren. Im Vergleich zu einer Standardlösung sind sie kleiner (2,6 x 2,1 mm2 im Vergleich zu 2,6 x 3 mm2) und erfordern eine kleinere Stückliste (vier Komponenten auf einer kleineren Fläche statt fünf). Damit ist das uSLIC-Modul kostengünstiger und beansprucht mit einer Gesamtkomponentenfläche von 11,8 mm2 fast 30 Prozent weniger Platz auf der Leiterplatte.

Die Ausgangsspannung kann von 0,8 V bis 3,3 V eingestellt werden. Dank weniger zusätzlicher Komponenten reduziert das Modul die Designkomplexität und verringert die Fertigungsrisiken – und stellt dabei eine echte Plug-and-Play-Stromversorgungslösung dar, die die Produkteinführungszeit insgesamt verkürzt.

Wirkungsgrad verbessern

Bild 5 stellt die Wirkungsgrade der beiden Module gegenüber. Der Wirkungsgrad der Standardlösung (rote Kurve) sinkt bei geringer Last deutlich ab und bei Volllast fällt der Wirkungsgrad um drei Prozentpunkte. Das uSLIC-Modul zeigt einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich (grüne Kurve), wodurch es sich sowohl für netzbetriebene als auch für stromsparende batteriebetriebene Anwendungen eignet.

Vorteil fürs Power-Design

Entwickler von SPS-Stromversorgungen können in intelligenten Fabriken mit modularen PoLs die Stückliste des Gesamtsystems reduzieren. Zusätzlich können sie eine verbesserte Zuverlässigkeit erreichen und den gesamten Entwicklungsprozess bis zur Markteinführung beschleunigen. Innovative Module können gegenüber Standard-PoLs noch weitere Vorteile hinsichtlich Größe, Kosten und Wirkungsgrad realisieren.

 

 

Die Autoren

 

Dr. Nazzareno (Reno) Rossetti
ist Experte für Analogtechnik und Power-Management bei Maxim Integrated, hat zahlreiche Fachbeiträge dazu veröffentlicht und hält verschiedene Patente auf diesem Sektor. Er besitzt einen Doktortitel der Elektrotechnik der Universität Politecnico di Torino, Italien.

John Woodward
ist Executive Business Manager für Power-Management-Produkte bei Maxim Integrated. Er verfügt über 18 Jahre Branchenerfahrung – davon zehn Jahre auf der technischen Seite im Bereich Applikationen und Tests und acht Jahre in den Bereichen Mar­keting/Business und Produktmanagement.