Eine industrielle, datengesteuerte Umgebung setzt eine entsprechende technische Infrastruktur voraus. Sie reicht von kompakten Sensoren und robusten Kommunikationsgateways bis hin zu den unerlässlichen, speicherprogrammierbaren Steuerungen. Eine gründliche Planung ist hier für die Kostenkontrolle und die Realisierbarkeit von größter Bedeutung. Üblicherweise wird die gesamte Steuerungsausrüstung für eine bestimmte Fertigungslinie in einem einzigen Schaltschrank installiert. Da jedoch immer mehr elektronische Systeme integriert werden müssen, suchen Entwickler nach immer kleineren, energieeffizienten passiven Bauteilen und ICs, die trotzdem ein optimiertes Wärmemanagement und gute EMI-Eigenschaften aufweisen müssen, um einen höheren Integrationsgrad zu ermöglichen.
Anwendungsbeispiele
Neben der Größenreduktion steht die Zuverlässigkeit in Umgebungen mit hoher elektrischer Störanfälligkeit im Fokus der Entwickler. Die zunehmende Automatisierung führt zu einer hohen Dichte elektrisch angetriebener Maschinen, wie Motoren und Aktoren, die Hochspannungstransienten erzeugen können. Störungsspitzen können empfindliche Schaltungen beeinträchtigen und Sensormessungen stören – insbesondere bei Analogsignalen, weshalb sie nach der Messung immer schneller digitalisiert werden. Doch auch Analog/Digital-Wandler (ADC) und Digital/Analog-Wandler (DAC) sind anfällig für Leitungsstörungen. Die Isolation, also die elektrische oder galvanische Trennung eines Signals, ist eine Methode, um die Auswirkungen von Störungen zu reduzieren, Schäden an den angeschlossenen Schaltkreisen zu vermeiden und Voraussetzung für die Zertifizierung der elektrischen Sicherheit. Die Isolierung zwischen einem Sensor, dem zugehörigen ADC und einem Host-Mikrocontroller ist sinnvoll. Bei einer Zustandsüberwachung ist der Sensor beispielsweise oft direkt an einen netzbetriebenen Motor angeschlossen, was einen potenziellen Rücklauf für Streuspannungen zum Host bedeutet. Die Isolierung stellt sicher, dass schädliche Spannungsspitzen oder Leckströme, die am Sensor oder ADC auftreten, nicht bis zum Mikrocontroller gelangen. In diesem Beispiel müsste also auch der ADC von einer isolierten Spannungsversorgung gespeist werden. Um diesen Grad an Isolierung zu erreichen, ist sowohl eine Isolierung der Stromversorgung als auch des Datensignals erforderlich. Dies würde typischerweise mit einem isolierten DC-DC-Wandler und digitalen Signal-Isolations-ICs realisiert werden (Abb. 1).
Weniger Komponenten und kleinere PCB-Footprints
Die Integration von Leistungsumwandlung, -management und -isolation sowie Digitalsignal-Isolation (SPI) in einem einzigen IC spart nicht nur erheblich Platz auf dem Board, sondern reduziert auch die Stückliste deutlich. Der ADP1031 von Analog Devices integriert all diese Funktionen in einem einzigen 7 x 9 mm kompakten LFCSP-Gehäuse und kann über einen weiten Versorgungsspannungsbereich von 4,5 V bis 60 V betrieben werden. In seiner Power-Management-Einheit (PMU) sind drei Micropower-DC/DC-Wandler einschließlich eines isolierten Flyback-, eines invertierenden Reglers sowie eines Abwärtswandlers integriert. Die Gesamtleistung beträgt bis zu 2,0 W bei einem Wirkungsgrad zwischen 80% und 90%. Die IC-Architektur bietet vier isolierte, bidirektionale High-Speed-Kanäle mit einer SPI-Schnittstelle sowie drei isolierte Mehrzweck-I/O-Kanäle, welche die patentierte iCoupler-Technologie von Analog Devices verwenden (Abb. 2).
Das Leistungsmanagement umfasst eine Soft-Start-Einschaltfunktion, Eingangsüberstrom- und Ausgangsüberspannungs-Schutzfunktionen sowie eine Reihe programmierbarer Flyback- und Umrichterwandler-Optionen. Der ADP1031 beinhaltet einen internen MOSFET-Schalter für den Flyback-Wandler und benötigt zum Betrieb neben einem Flyback-Transformer mit 1:1-Isolation nur wenige externe passive Bauelementen. Die Eingangs-/Ausgangs-Isolierung beträgt in allen drei Leistungsbereichen 300 V. Der ADP1031 ermöglicht die Steuerung der Wandler-Anstiegsrate, um die EMI-Leistung zu verbessern, und entspricht in puncto Störaussendungen der Norm CISPR11 (EN 55011) Klasse B.
Der ADP1031 ist für den Einsatz mit dem Einkanal-16-Bit DAC IC AD5758 von Analog Devices optimiert(Abb. 3) und bietet in Kombination eine zertifizierte Lösung gemäß den grundlegenden 300-V-Isolationsanforderungen für einen schnelleren Designprozess.
Auswahl von Transformatoren und Induktivitäten
Bei der Design-Optimierung des Flyback-Wandlers für den ADP1031 muss die Wahl des Transformers berücksichtigt werden. Aufgrund des Feedback-Schemas des ADP1031 benötigt der Transformator nur je eine einzelne Primär- und Sekundärwicklung. Der simple Aufbau ermöglicht kleinere Baugrößen mit geringerer DCR und Streuinduktivität, wie sie viele Standard-Transformatoren vorweisen. Die Auswahl eines gut konstruierten Miniaturtransformators mit geringer Streuinduktivität und geringem Gleichstromwiderstand kann einen erheblichen Einfluss auf die EMI-Eigenschaften und den Wirkungsgrad des Designs haben. Das erforderliche Übersetzungsverhältnis wird durch die Ein- und Ausgangsspannungen bestimmt. In Zusammenarbeit mit Analog Devices hat der Transformatorspezialist Coilcraft mit dem WA8478 und dem YA9293 zwei Transformatoren speziell für den Einsatz mit dem ADP1031 entwickelt. Beide bieten ein Verhältnis von 1:1, eine Eingangsspannung von 4,5 V bis 60 V, eine Isolationsspannung von 2.250 Veff und sind mit Kriech- und Luftstrecken für die Basisisolierung ausgelegt. Sie sind AEC-Q200 Grade 1 qualifiziert und eignen sich so für den Einsatz bei Temperaturen von -40 °C bis +125 °C, wie sie beispielsweise in Automobilanwendungen vorherrschen. Die nominelle Streuinduktivität beträgt 1,2 μH für den WA8478 und 1,62 μH für den YA9293.
Coilcraft bietet auch die Induktivität PA6594-AE mit 47 μH μ, die für die Verwendung mit der integrierten Abwärtswandlerfunktion des 16-Bit-DACs AD5758 von Analog Devices optimiert ist. Die Induktivität PA6594-AE bietet einen kompakten Footprint und eine Höhe von nur 1,8 mm.
Fazit
ICs, die mehr als eine Funktion im selben Gehäuse integrieren, können zusammen mit optimierten passiven Bauelementen dazu beitragen, den Platzbedarf auf dem Board insgesamt zu verringern. Der ADP1031 erfüllt diese Anforderung, indem er Leistungsmanagement und die Isolation für serielle Kommunikation in einem 7 x 9mm kleinen Gehäuse kombiniert. Die Kombination von ADP1031 und optimierten Coilcraft-Transformern bietet hohe Leistung bei kleiner Baugröße.
