Power-Tipp Stromversorgungen für intelligente Messumformer

Der synchrone Abwärtswandler LMR36501 ist mit seiner niedrigen Ruhestromaufnahme eine attraktive Lösung für Messumformer. Der Wandler kommt mit dem Strom aus der Stromschleife aus, bietet eine kleine Baugröße und punktet bei Zuverlässigkeit und EMV.

Intelligente Messumformer werden unter anderem in der Fabrikautomation in großem Umfang genutzt, um beispielsweise Temperaturen, Drücke, Durchflussraten, Füllstände und ähnliche Prozessgrößen zu messen. Bild 1 zeigt exemplarisch das Blockschaltbild eines Messumformers, der mithilfe eines RTD (Widerstandsthermometer), eines Thermistors oder eines Thermoelements die Temperatur misst. Die Signalkette besteht aus einem Sensor-AFE (Analog Front End), einem Mikrocontroller (MCU) und hochpräzisen A/D- und D/A-Wandlern.

Grundsätzlich sind der Mikrocontroller und die Datenwandler eines Messumformers für geringe Stromaufnahme optimiert, jedoch können die für anspruchsvollere Anwendungen benötigten zusätzlichen Funktionen den Strombedarf durchaus in die Höhe treiben. Beispiele für solche Funktionen sind Isolation, Kalibrierung und Dia­gnose, ein LCD-Interface und drahtlose Konnektivität wie etwa Bluetooth Low Energy (BLE) oder Wireless HART.

Mit den im Null-Status verfügbaren 4 mA aus der 4-20-mA-Stromschleife kommen solche intelligenten Sensorsysteme folglich unter Umständen nicht aus. Die standardmäßigen Ströme, die beim DAC161S997 nicht unter- bzw. überschritten werden dürfen, sind beispielsweise 3,375 mA (low) bzw. 21,75 mA (high). Allerdings gibt es hocheffiziente synchrone Abwärtswandler, die mit weniger als 3,375 mA aus der Schleife auskommen und dennoch einen höheren Ausgangsstrom liefern als ein LDO (Low-Dropout-Regler).

Für die Versorgung von Messumformern bringt der synchrone Abwärtswandler LMR36501 einen hohen Wirkungsgrad und eine extrem geringe Ruhestromaufnahme (I_Q) von 1,2 µA mit. Der Baustein weist einen Eingangsspannungsbereich von 20:1 auf und verkraftet wiederholte Spannungsspitzen bis zu 65 V. Seine Ausgangsspannung bleibt von großen störungsbedingten Ausschlägen der Eingangsspannung unbeeinflusst – eine wichtige Voraussetzung für Messumformer, von denen eine hohe Zuverlässigkeit verlangt wird.

Bild 2 zeigt die Beschaltung des Wandlers für eine Ausgangsspannung von 5 V und 25 mA Laststrom mit Verpolungs- und Überspannungsschutz, um die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen.

Zu den Eigenschaften, die den LMR36501 für intelligente Messumformer geeignet machen, gehören die 2 mm x 2 mm große Wandlerkonstruktion mit einem minimalen Bedarf an passiven Bauelementen, optimiertem Wirkungsgrad bei geringer Last, niedriger Ruhestromaufnahme, Schirmungs-optimiertes Gehäuse, Power-Good-Flag für Sequencing und Fehlermeldung, intern festgelegtem Softstart und präziser Enable-Funktion mit einstellbarer Hysterese für ein programmierbares UVLO (Undervoltage Lockout).

Der Nutzen eines Abwärtswandlers mit weitem Eingangsspannungsbereich und niedriger Ruhestromaufnahme liegt in seiner umfassenden, auf die Belange von Stromversorgungen zugeschnittenen Eigenschaften:

• Hoher Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Lastströmen.

• Erhöhtes Zuverlässigkeitsniveau mit der Eignung für Sperrschichttemperaturen bis 150 °C.

• Weiter U_IN-Bereich mit genügend Spielraum für überhöhte Eingangsspannungen, damit eine TVS-Diode mit höherer Nennspannung (und kleineren Abmessungen) verwendet werden kann.

• Einsatz in Messumformern mit beengten Platzverhältnissen durch geringe Baugröße.

• Geringere Eingangskapazität, um u.a. die Sicherheitsanforderungen der Anwendung zu erfüllen.

• Optimiertes Gehäuse für bessere EMV.

Fazit: Um das Potenzial von modernen, aus der Stromschleife gespeisten Messumformern auszuschöpfen und die unkomplizierte Zweidraht-Architektur beizubehalten, ist der synchrone Abwärtswandler LMR36501 mit seiner niedrigen Ruhestromaufnahme eine attraktive Lösung. (kr)

* Tim Hegarty ist Applikationsingenieur bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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