Kompakte Stromversorgung für Sensoren Verlustleistung minimieren

Stromversorgung eines intelligenten Sensors

Exemplarisch wird ein intelligenter Näherungssensor mit IO-Link betrachtet. Bild 4 zeigt das Blockdiagramm des Sensors. Der Mikrocontroller (MCU) sammelt Daten vom Sensorelement, linearisiert und kalibriert sie und sendet sie an den IO-Link-Transceiver. Von dort aus werden die Daten dann an die System-SPS gesendet.

Der IO-Link-Anschluss stellt auch eine 24-V-Spannung für die Versorgung des Sensors zur Verfügung. Zur Erleichterung der Diskussion über das Stromversorgungsdesign werden alle Sensorelemente zur »Sensorschaltung« zusammengefasst

Die »Stromversorgung« ist dann das Gesamtsystem zur Umwandlung von 24 V in 5 V, die wiederum die Sensorik mit Strom versorgt. Der physikalische Sensor wird im Folgenden als »Baugruppe« bezeichnet.

Für das Design ist die Verlustleistung der Sensorschaltung, der Stromversorgung und der Gesamtbaugruppe relevant. Ihre Betrachtung erfolgt anhand einer typischen Stromversorgung mit LDO (Low Drop-Out Linear Regulator).

Eine analoge Sensorschaltung nimmt typischerweise etwa 15 mA auf. Die industrielle 24-V-Stromschiene kann maximal 30 V (DC) erreichen. Die Verlustleistungen sind:

I subscript o equals 15 m A semicolon space space space V subscript i equals 30 space V left parenthesis m a x i m u m right parenthesis
P subscript S e n s o r end subscript space space space space space space space equals V subscript o x I subscript o space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space space equals space 75 m W
P subscript V e r s o r g u n g end subscript space equals P subscript I D O end subscript equals left parenthesis V subscript 1 minus V subscript o right parenthesis x I subscript o space space space equals 375 m W
P subscript B a u g r u p p e end subscript space equals P subscript S e n s o r end subscript plus P subscript I D O end subscript space space space space space space space space space space space space space equals 450 m W
In diesem Beispiel werden nur 75 mW für die eigentliche Arbeit (Versorgung der Sensorschaltung) verwendet, während 375 mW im LDO aufgrund seiner Ineffizienz verlorengehen. Insgesamt muss die Baugruppe 450 mW aufnehmen.

Wenn nun weitere Funktionen hinzugefügt werden, um den Sensor »intelligenter« zu machen, erfordert dies mehr Strom, was die Verlustleistung der Baugruppe verschlechtert. Erhöht sich beispielsweise der Strom der Sensorschaltung auf 30 mA, folgt mit einer ähnlichen Berechnung wie oben: IO = 30 mA, PSensor = 150 mW, PVersorgung = 750 mW und PBaugruppe = 900 mW. Damit ist die Verlustleistungsgrenze der meisten kleinen Näherungssensoren aber schon überschritten.

Abschätzung der Verlustleistung

Wärme ist das größte Problem für das Sensordesign. Bild 5 zeigt die Verlustleistungswerte der letzten beiden Beispiele. Die übermäßige LDO-Verlustleistung begrenzt den Strom, den die Sensorschaltung aufnehmen kann. Sie ist der limitierende Faktor für die Anzahl an intelligenten Funktionen, die in den Sensor integriert werden können. Bei 15 mA Sensorstrom lässt sich die Wärme in einer Baugruppe mit M8-Steckverbinder kaum noch abführen, da hier die thermische Verlustleistungsgrenze bei ca. 450 mW liegt. Bei 30 mA Sensorstrom kann nicht einmal ein größerer M12 die Wärmeabfuhr gewährleisten (Bild 5).

Es liegt auf der Hand, dass eine effizientere Stromversorgungslösung erforderlich ist, um die Verlustleistungsgrenze einzuhalten. Im oberen rechten Teil von Bild 6 ist eine Stromversorgung mit DC/DC-Wandler gezeigt und wird mit der LDO-Stromversorgung (oben links) verglichen. Bei 15 mA Sensorstrom und einem konservativen Wirkungsgrad von 75 % hat der DC/DC-Wandler nur 25 mW Verlustleistung und trägt dazu bei, den Verlust der gesamten Baugruppe von 450 mW auf 100 mW zu reduzieren, was eine 4,5-fache Reduzierung der Verlustleistung bedeutet.

Die gleiche Berechnung für 30 mA Sensorstrom zeigt, dass der hohe Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers die Wärme reduziert und mehr Sensorstrom ermöglicht (Bild 6, unten). Damit können mehr Schaltkreise und damit auch mehr Funktionen in einen Sensor integriert werden. Um in der Vorstellung von »intelligenten« Sensoren zu bleiben: Er bekommt einen höheren Intelligenzquotienten.

Wenig Bauraum

Ein intelligentes System erfordert mehr intelligente Sensoren. Die müssen klein sein, um überall eingesetzt werden zu können, enthalten aber auch mehr Schaltungen. Ein M12-Stecker hat einen Außendurchmesser von 12 mm und bietet Platz für eine Leiterplatte mit maximal 10,5 mm Breite. Für eine typische Stromversorgung mit DC/DC-Wandler ist das ausreichend. Für eine weitere Miniaturisierung, etwa mit einem M6-Stecker, schrumpft die Leiterplattenbreite auf 4,5 mm. Dieser beengte Bauraum ist eine große Herausforderung für die Unterbringung einer Stromversorgung. Durch einige Fortschritte bei der Integration passt jedoch der MAXM17532 von Maxim mit seiner Größe von lediglich 2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm sehr gut in einen Miniatursensor mit M6-Stecker.

Kompakter Baustein mit DC/DC-Wandler

Der MAXM17532 ist ein extrem kompaktes 100-mA-uSLIC Power-Modul mit großem Eingangsspannungsbereich. Er arbeitet von 4,0 V bis 42 V Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung ist von 0,9 V bis 5,5 V programmierbar.

Ein weiteres Bauteil der Familie, der MAXM17552, kann mit bis zu 60 V Eingangsspannung betrieben werden. Bild 7 zeigt den Schaltplan einer typischen Anwendung mit dem Modul MAXM17532/MAXM17552.


Literatur:

[1] Was ist IO-Link? TMG Technologie und Engineering GmbH im Auftrag des IO-Link Konsortiums, https://io-link.com/de/Technologie/Was_ist_IO-Link.php?thisID=63

 

Der Autor

 

Anthony T. Huynh, M. Sc.

ist Principal Member of Technical Staff und Applikationsingenieur bei Maxim Integrated. Er hat mehr als 100 Produkte für das Powermanagement entwickelt, darunter DC/DC-Wandler, Hot-Swap-Controller, Power-over-Ethernet-Stromversorgungen und verschiedene Schutzschaltungs-ICs, die von weltweit führenden Herstellern eingesetzt werden. Er hält sieben US-Patente auf Leistungselektronik, hat bei Maxim mehrere Praxisschulungen ausgearbeitet und abgehalten und lehrte an der Portland State University, an der er mit dem Master of Science in Elektrotechnik abschloss, über Leistungselektronik.