Analoge Treiber mit hohem Wirkungsgrad

Adaptive Lastregelung und dynamische Leistungsregelung

14. März 2022, 6:00 Uhr | Jürgen Schemel
fieldbus coupler is for use for a small data width in the process image to digital process data
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Die Verlustleistung in Treiberstufen für analoge Steuersignale in der Automatisierungstechnik setzt dem Wunsch nach Miniaturisierung Grenzen, die Baugruppen werden zu warm. Wird die Versorgungsspannung der Treiber jedoch dynamisch geregelt, lässt sich die Verlustleitung deutlich reduzieren.

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verfügen über eine Vielzahl von analogen und digitalen Ein- und Ausgängen zum Überwachen und Steuern von Industrie- und Produktionsprozessen. Modulare Konzepte sind weit verbreitet und decken in Bezug auf Ein- und Ausgänge (E/As) die Grundfunktionen von analogen und digitalen E/As ab. Der Analogausgang stellt eine besondere Herausforderung dar. Denn es muss ein Sollwert aktiv und mit hoher Genauigkeit unter verschiedenen Lastbedingungen getrieben werden (Bild 1). Die aktive Treiberstufe ist hier wichtig und Verluste sollten so gering wie möglich gehalten werden.

Besonders zu berücksichtigen sind folgende Faktoren:

  • Angeschlossene Last.
  • Maximal zulässige Umgebungs- und interne Modul-Temperaturen.
  • Anzahl der Kanäle und Modulabmessungen.
  • Galvanisch isolierte Schnittstelle.
  • Genauigkeit.

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Blockschaltung eines Systems mit Potentialtrennung und analogen Ausgängen.
Bild 1. Blockschaltung eines Systems mit Potentialtrennung und analogen Ausgängen.
© Analog Devices

In der Prozessautomation besteht oft zusätzlich die Forderung nach einer galvanischen Trennung zwischen den Ausgangskanälen. Hinzu kommen weitere Bedingungen wie zum Beispiel kanalbasierte Diagnose oder Unterstützung von HART-Signalen (Highway Addressable Remote Transducer). Hohe Robustheit und geringe Fehlertoleranz sind ebenfalls Grundvoraussetzungen.

Dank der Fortschritte in der Entwicklung von Halbleitern und kontinuierlich verbesserten Mixed-Signal-Verfahren lassen sich heute sehr kleine Schaltkreise mit hohen Integrationsdichten herstellen. So kann beispielsweise ein analoger Ausgangskanal vollständig auf einem IC integriert werden.

Der ADU mit HART-Interface AD5758 [1] von Analog Devices zum Beispiel vereint auf einer Grundfläche von 5 mm × 5 mm die Basisfunktion eines DAU und eines Treibers sowie weitere analoge und logische Funktionen. Dies sind unter anderem ein ADU für die Diagnose, ein Powermanagement, eine Spannungsreferenz, ein Fehlerschalter zum Schutz vor Rückwärts- und Überspannungen, ein Register für Kalibrierdaten und die SPI-Kommunikationsschnittstelle.

Blockschaltung des AD5758 von Analog Devices
Bild 2. Blockschaltung des Analog-Digital-Umsetzers AD5758 mit dynamischer Leistungssteuerung.
© Analog Devices

Der AD5758 (Bild 2) deckt alle gebräuchlichen Ausgangsbereiche der Automatisierungswelt ab: unipolare 0 bis 10 V und 0 mA bis 20 mA, bipolare ±10 V und ±20 mA sowie alle Teilbereiche, wie die in der Prozessautomatisierung üblichen 4 mA bis 20 mA. Für jede Einstellung ist eine Bereichsüberschreitung von 20 % spezifiziert. Die Werte werden mit einer Auflösung von 16 bit ausgegeben.

Optimierung des Wirkungsgrads

Was macht den AD5758 besonders geeignet für temperatur- und platzkritische Anwendungen? Verluste in Form von Wärme entstehen hauptsächlich im Leistungsbereich mit dem Gleichspannungswandler und der Ausgangstreiberstufe. Hier wird ein ausgeklügeltes Leistungsmanagement eingesetzt. Der AD5758 verfügt über eine adaptive oder dynamische Leistungsregelung (DPC, Dynamic Power Control). Die DPC ist während des Stromausgabemodus aktiv und steuert die Spannung in der Treiberstufe, die benötigt wird, um einen bestimmten Strom in eine Last zu treiben.

Je nach Betriebszustand kann die Lastspannung für den Stromausgang (I × RL) nur einen Bruchteil der Versorgungsspannung ausmachen. Die Differenz zur Versorgungsspannung muss im Serientransistor in Form von Verlustleistung abgeführt werden, wodurch Wärme entsteht.

Die DPC-Funktion regelt nun die Treiberspannung auf wenige Volt über der tatsächlich benötigten Lastspannung – die minimale Reserve für den Betrieb des Ausgangstransistors – und sorgt so für eine nur minimale thermische Verlustleistung. Eine Anpassung der Spannung mit hohem Wirkungsgrad ist auf diese Weise nur über einen Abwärtsschaltregler möglich, der bereits im AD5758 integriert ist und dessen Ausgangsspannung automatisch lastabhängig geregelt wird.

Selbst wenn zusätzliche Verluste im Schaltregler und in der vorgeschalteten Stromversorgung entstehen, ist die Verringerung der Verlustwärme insgesamt sehr effektiv, insbesondere bei kleinen Lastwiderständen (Tabelle 1). Dies ermöglicht kleinere Schaltungen mit höherer Dichte und die Leiterplatte bleibt kühl.

Lastwiderstand (RL) [Ω] Spannung am Lastwiderstand (UL) [V] Verlustleistung ohne DPC [mW] Verlustleistung mit DPC [mW] Verringerung  der Verlustleistung [mW]
0 0 480 100 380

50

1 460 80 380
1 k 20 80 50 30

 

Derating setzt enge Grenzen

Derating ist definiert als eine Verringerung der elektrischen Leistung unter definierten Randbedingungen, ähnlich der Betrachtung des sicheren Betriebsbereichs (SOA) bei Leistungshalbleitern. Aufgrund der bereits erwähnten Leistungsverluste und der damit verbundenen Kühlprobleme sind den Ausgangsmodulen ohne DPC enge thermische Grenzen gesetzt. Heute sind zwei oder vier Kanäle auf einem Modul mit den Abmessungen einer Kreditkarte üblich. Die Module sind in der Regel für Umgebungstemperaturen von bis zu 60 °C spezifiziert.

Unter diesen Umgebungsbedingungen können jedoch nicht alle vier Kanäle sehr kleine Lasten treiben. Denn ohne DPC würden die vier Kanäle eine Verlustleistung im Modul von etwa 3 W erzeugen. Durch die so erzeugte Wärme kann die interne Modultemperatur schnell über die maximal zulässigen Werte der Komponenten hinaus ansteigen.

Derating-Kurve
Bild 3. Typische Derating-Kurve eines Moduls mit vier analogen Ausgangstreibern.
© Analog Devices

Beim thermischen Derating (Bild 3) beschränkt der Modulhersteller bei hohen Umgebungstemperaturen die Nutzung auf nur einen oder zwei der verfügbaren vier Kanäle, was sich negativ auf die Nutzbarkeit und die Kanalkosten auswirkt.

Dank seiner dynamischen Leistungsregelung weist der AD5758 eine Verlustleistung auf, die nur geringfügig vom Lastwiderstand abhängt. Die gesamte Kanalverlustleistung bleibt bei Lasten von 0 bis 1 kΩ stets unter 250 mW (Tabelle 2). So können je nach Schaltung des Ausgangsmoduls im ungünstigsten Fall acht isolierte Kanäle mit einer Gesamtverlustleistung unter 2 W realisiert werden.

Lastwiderstand (RL) [Ω] Spannung am Lastwiderstand (UL) [V] gesamte Verlustleistung (Pges) [mW] Verlustleistungam Lastwiderstand (PL) [mW] Verlustleistung im AD5758 [mW]
0 0 222 0 222
250 5 296 100 196
750 15 509 300 209
1 k 20 609 400 209

 

Durch den Wärmewiderstand des 5 mm × 5 mm großen LFCSP (Lead Lead Frame Chip Scale Package) von 46 K/W zwischen Sperrschicht und Umgebung (RthJA) erhöht sich die Gehäusetemperatur um weniger als 10 K bei einer Verlustleistung von 200 mW. Der AD5758 ist für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen bis 115 °C spezifiziert. Dies bietet große Reserven für mehrkanalige Module ohne Derating.

Die Verlustleistungswerte in Tabelle 2 beziehen sich auf den gesamten Kanal und enthalten auch die Verlustleistung aufgrund der Strom- und Datenisolation mit dem ADP1031 [2].

Optimierte Stromversorgung

Die Versorgungsspannungen haben unterschiedliche Anforderungen:

  • Logik-Spannung: Abgesehen von der Versorgungsspannung für die Treiber – betriebsartabhängig unipolar oder bipolar – benötigt der IC AD5758 eine Spannung von 3,3 V für die internen Logikblöcke. Diese kann mit dem integrierten LDO-Regler erzeugt werden; für einen optimalen Wirkungsgrad und eine geringere Verlustleistung wird jedoch ein Schaltregler empfohlen.
     
  • Isolierte Treiber-Versorgung: Aus Sicherheitsgründen ist der SPS-Bus immer galvanisch von den E/A-Modulen getrennt. Bild 1 zeigt die Isolierung mit Farbcodierung für die drei verschiedenen Potenziale der Logikseite (Bus), der Spannungsversorgung und des Ausgangs.
Blockschaltung des ADP1031 von Analog Devices.
Bild 4. Das Stromversorgungs-IC ADP1031 enthält einen primärseitigen Sperrwandler für die galvanische Trennung und zwei Abwärtswandler auf der Sekundärseite, mit denen auch eine bipolare Versorgung realisiert werden kann. Zusätzlich enthält der IC Datenkoppler, mit denen digitale Signale – GPIO und SPI – über die Isolationsbarriere übertragen werden können.
© Analog Devices

Da diese drei Bereiche auf der Leiterplatte oft auch räumlich getrennt sind – die Ausgänge zeigen zu den vorderen Anschlussklemmen hin, wogegen der Backplane-Bus, wie der Name schon sagt, an der Rückseite liegt – wäre eine Integration von Isolation, Stromversorgung und Ausgangstreiber auf einem Chip nicht sinnvoll.

Das Stromversorgungs-IC ADP1031 (Bild 4) ermöglicht zusammen mit dem AD5758 die Entwicklung von isolierten Ausgangsmodulen mit minimalem Platzbedarf und minimaler Verlustleistung (Bild 5).

Der ADP1031 enthält vier Blöcke in einem Gehäuse mit einer Grundfläche von 9 mm × 7 mm:

  • Sperrwandler zur Erzeugung einer isolierten positiven Versorgungsspannung (UPOS).
  • Invertierender Wandler für die negative Versorgungsspannung für bipolare Ausgänge (UNEG).
  • Abwärtswandler für die Versorgung des Logik-Schaltkreises im AD5758 mit ULOG.
  • Isolierte SPI-Datenschnittstelle mit zusätzlichen GPIO-Kanälen.
Blockschaltung eines vierkanaligen Analogausgangs mit einer dynamisch regelbaren Stromversorgung.
Bild 5. Blockschaltung eines vierkanaligen Analogausgangs mit einer dynamisch regelbaren Stromversorgung, basierend auf den ICs AD5758 und ADP1031 von Analog Devices.
© Analog Devices

Der Vorteil des Sperrwandlers ist sein hoher Wirkungsgrad, und es wird für die galvanische Trennung nur ein kleiner 1:1-Transformator benötigt. Der Sperrwandler erzeugt auf der Sekundärseite die Treiberspannung von bis zu 28 V in der ersten Stufe. Der invertierende Wandler und der Abwärtswandler nutzen in der zweiten Stufe die Ausgangsspannung des Sperrwandler und das gleiche Massepotential.

Beim ADP1031 legten die Entwickler besonderen Wert auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Robustheit. Beispielsweise arbeiten die Schaltstufen der einzelnen Wandler phasenverschoben und die Anstiegsgeschwindigkeit des Sperrwandlers ist einstellbar. Funktionen wie Sanftanlauf, Überspannungsschutz und Strombegrenzung für alle drei Spannungen sind ebenfalls vorhanden.

Die galvanisch trennende SPI-Schnittstelle basiert auf der bewährten iCoupler-Technik von Analog Devices. Sie überträgt alle für den Betrieb erforderlichen Steuersignale. Dabei wird zwischen einem Pfad mit vier Kanälen für die schnelle Übertragung von SPI-Daten und einem langsameren Pfad – drei Kanäle im Multiplex-Verfahren – für die Steuerung von GPIOs unterschieden. Mögliche Anwendungen sind die synchrone Aktivierung der Ausgänge in mehrkanaligen Modulen oder modulübergreifend über ein gemeinsames Steuersignal, das Rücklesen eines Fehlerflags oder das Auslösen einer Sicherheitsabschaltung.

Höherer Wirkungsgrad führt zu höherer Effizienz

Ausgangsmodul mit acht Kanälen
Bild 6a. Beispiel für ein analoges Ausgangsmodul mit acht galvanisch isolierten Kanälen, Blick auf die Oberseite der Baugruppe und ...
© Analog Devices

Mit der Kombination aus dem AD5758 und dem ADP1031 erhalten Entwickler den kompletten Funktionsumfang für einen isolierten Analogausgang mit nur zwei Bausteinen. Mit zirka 13 mm × 25 mm, einschließlich Isolation, ist der Platzbedarf pro Kanal minimal – halb so groß wie bisher übliche Schaltungen (Bild 5).

Neben der Platzeinsparung ermöglicht die Integration der Schlüsselfunktionen und die inhärente Robustheit ein einfacheres Leiterplattenlayout, eine leichte Trennung der Potenziale und wesentlich niedrigere Kosten.

Ausgangsmodul mit acht Kanälen
Bild 6b. ... die Unterseite.
© Analog Devices

Die achtkanalige Demo-Schaltung von Analog Devices verwendet nur eine Leiterplatte mit sechs Lagen und misst 77 mm × 86 mm (Bild 6).

 

Literatur

[1] AD5758 – Single-Channel, 16-Bit Current and Voltage Output DAC with Dynamic Power Control and HART Connectivity. Analog Devices, Datenblatt, 2020, www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad5758.pdf.

[2] ADP1031 – Three-Channel, Isolated Micropower Management Unit with Seven Digital Isolators. Analog Devices, Datenblatt, 2019, www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADP1031.pdf.

 

Der Autor

Jürgen Schemel von Analog Devices
Jürgen Schemel von Analog Devices
© Analog Devices

Jürgen Schemel

ist Field Applications Engineer (FAE) bei Analog Devices. In dieser Position unterstützt er strategische Industriekunden der Bereiche Automatisierung, Industrie 4.0 und zustandsbasierte Überwachung. Seinen Master-Abschluss erhielt Schemel an der Hochschule in Offenburg. Er begann seine berufliche Laufbahn bei Siemens im Systemdesign für Kommunikationstechnik in industriellen Anwendungen.

juergen.schemel@analog.com


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