Intelligent Edge Sensorik erfordert neue Konzepte bei der analogen Spannungsversorgung
Frederik Dostal
Besonders im Bereich von Spannungsversorgungen für industrielle Sensoren gibt es momentan viele Innovationen und Herausforderungen. Die Implementierung einer ‚Intelligent Edge‘ erfordert eine intelligente Aufbereitung der Daten. Speziell Innovationen im Bereich der Spannungsversorgungen sind gefordert.
Mit dem Begriff ‚Intelligent Edge‘ ist gemeint, daß Sensoren in industriellen Systemen selber eine Datenselektion und Verarbeitung machen können. Die zu übertragende Datenrate zwischen Sensor und einer zentralen Steuereinheit wird reduziert und die Datenübertragung wird dadurch vereinfacht. Natürlich benötigt die Sensorik einen Mikrokontroller, um die vom Sensor gelieferten Daten zu verarbeiten. Ein einfaches Beispiel ist ein optischer Sensor zum Erkennen von bestimmten Informationen. Eine Person die versehentlich in einen automatisierten Fertigungsbereich eintritt und sich dadurch in Gefahr bringt soll bemerkt werden. Die Bilddaten müssen so verarbeitet werden, daß eine Person eindeutig erkannt wird, um Maschinen schnell abschalten zu können. Dadurch sollen Personenschäden verhindert werden. Das Ziel ist, eine Verarbeitung der Bilddaten beim „intelligent Edge“. Es wir nur ein Signal „Person im Blickwinkel der Kamera erkannt“ an den Zentralrechner übertragen. Die Übertragung der Bilddaten an einen Zentralrechner wird überflüssig. Dadurch reduzieren sich die Anforderungen an die Übertragungsbandbreite und vereinfachen die Übertragung.
Durch die zusätzliche Verarbeitungseinheit (Mikrokontroller) an der „Intelligent Edge“ bekommt man einen smarten Sensor. Allerdings hat diese Einheit einen höheren Stromverbrauch. Somit sind neue Konzepte nötig, einen höheren Strombedarf am Sensor bereitzustellen. Dies gilt besonders bei vorhandenen Industrieanlagen bzw. einer vorhandenen Infrastruktur. Die Lösungen sollen mit einfachen Mitteln und trotzdem sicher eine erhöhten Strombedarf, zusätzlich zu einer sicheren Datenübertragung ermöglichen.
Realisierung einer „intelligent Edge“ bei einer vorhandenen Zweidrahtleitung, z.B. 4-20mA Schnittstelle
Als Spannungsversorgung über eine Zweidrahtleitung eignet sich das neue SPoE (Single pair Power over Ethernet). Es ist vom Konzept her ähnlich wie PoE (Power over Ethernet), läßt sich aber mit einer vorhandenen Zweidrahtleitung (z.B. eine 4-20mA Schnittstelle) implementieren. Mit SPoE können bis zu 52W bei einer Entfernung von 400 Metern oder bis zu 20W bei einer Entfernung bis zu einem Kilometer übertragen werden. SPoE ist in IEEE Standard IEEE 802.3cg spezifiziert. Die Leitung wird mit einer Spannung von 24V oder 55V betrieben. Das Besondere an dieser Art der Spannungsversorgung ist, daß auf derselben Zweidrahtleitung, neben der Energieübertragung auch noch eine Datenübertragung stattfinden kann. Diese Datenkommunikation findet über 10BASE-T1L statt.
Bild 1. SPoE (Single pair Power over Ethernet) zum Versorgen von bis zu 52W über eine einfache Zweidrahtleitung mit bis zu 1km Länge
Hier sind unsere Links zu den zwei Produktseiten: LTC4296AUK-1 sowie LTC9111. Linear Technologies Corporation (LTC) gehört inzwischen ebenso wie Maxim Integrated zu Analog Devices Inc./ADI.
Nano Power Sensorik im industriellen Umfeld
Ein Beispiel hierfür im Rahmen der ‚Intelligent Edge‘ Entwicklung sind Vibrationssensoren, die verteilt in einer Prozessanlage individuelle Maschinen überwachen.
Die hierbei erfassten Vibrationen entsprechen unterschiedlichen Frequenzen und sind ein Maß, ob mechanische Lager und Wellen noch zuverlässig betrieben werden können. Frühzeitige Alterungserscheinungen können hierbei entdeckt werden. Das Reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass Anlagen in naher Zukunft ausfallen, oder außerhalb einer Toleranz betrieben werden. Dies kann durch präzise Messung der Vibrationen erkannt werden. Das Überwachen der Vibrationsdaten erfordert ausgeklügelte Algorithmen, die in Echtzeit große Datenmengen auswerten. Solche Datenverarbeitung kann entweder lokal am Einsatzort stattfinden oder auch an einem zentralen Ort. Bei einer zentralen Auswertung müssen alle gesammelten Sensordaten entweder per Kabel oder drahtlos über Funk übertragen werden.
Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft eine lokale Datenauswertung, direkt am Sensor, zu implementieren. Hierbei können existierende Industrieanlagen einfach mit Vibrationssensoren versehen werden, ohne zusätzliche Kabel zu verlegen. Die Sensoren liefern dann nur noch ein definiertes Warnsignal, wenn ein Frequenzbereich außerhalb der Vorgaben erkannt wird.
Ein solcher Sensor kann magnetisch an einer Anlage befestigt werden und liefert über Funk, oft auch in einem ‚Mesch‘ Netzwerk Daten. In diesem Mesh Netzwerk kommunizieren unterschiedliche Sensoren miteinander und übertragen die Information, welches Lager eine starke Alterserscheinung zeigt. Eine Industrieanlage kann somit einfach mit vorrausschauender Instandhaltung ausgestattet werden. Analog Devices OtoSense™ Smart Motor Sensor (SMS) Technologie ist ein Beispiel hierfür. Es ist eine KI-basierte, schlüsselfertige Hardware- und Softwarelösung für die zustandsbasierte Überwachung.
Eine wichtige Notwendigkeit für ein funktionierendes System ist eine passende Energieversorgung der Sensorik. Der Vibrationssensor muß nicht nur die passende Spannungsversorgung für den Sensor an sich, sondern auch für den Betrieb des lokalen Mikroprozessors zur Auswertung der Daten, sowie die eingesetzten Funkbausteine, zur drahtlosen Kommunikation bereitstellen. Die Sensorsystem werden für niedrigsten Stromverbrauch ausgelegt. Als Energiequelle eignet sich eine Batterie oder auch Energy Harvesting). Häufig wird auch eine Kombination dieser beiden Techniken eingesetzt. Man fügt Energy Harvesting hinzu, um die Laufzeit einer Batterie zu verlängern. Somit muß diese Batterie weniger häufig getauscht werden. Beim Energy Harvesting bieten sich unterschiedliche Energiequellen an. Je nach Einsatzort des Sensors können Solarzellen, TEGs (Thermo Elektrische Generatoren) oder auch piezoelektrische Konverter eingesetzt werden. Gerade bei industriellen Prozessanlagen gibt es häufig Temperaturgefälle, die mit TEGs in elektrische Energie umgesetzt werden können. Auch mechanische Bewegungen, lassen sich mithilfe von piezoelektrischen Sensoren in elektrische Energie konvertieren.
Sowohl bei batteriebetriebenen als auch bei von Energy Harvesting betriebenen Geräten spielt eine optimierte Spannungswandlung eine zentrale Rolle. Diese muss unbedingt einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Hierfür gibt es eine Anzahl an unterschiedlichen ‚Nano Power Management‘ integrierten Schaltungen.
Bild 2. Nanopower Spannungskonvertierung für batteriebetriebene Sensorik
Bild 2 zeigt beispielhaft eine Spannungswandlungsschaltung mit einem MAX38650. Es ist ein 100mA nanoPower abwärtswandelnder Schaltregler. Er kann eingangsseitig mit bis zu 5.5V Versorgungsspannung betrieben werden und kann eine geregelte Ausgangsspannung von zwischen 1.2V und 5V liefern. Die Eigenstromaufnahme des Schaltreglers selber beträgt im Betrieb nur 390nA (typisch). Das ist ein sehr geringer Ruhestrom. Wenn der Schaltregler abgeschaltet wird, beträgt die Stromaufnahme sogar nur 5nA. Sensordaten werden nicht kontinuierlich erfasst, und eine Kommunikation wird nur im Fehlerfall notwendig. Somit kann der MAX38650 häufig in den Stromsparmode geschaltet werden, um zusätzlich Energie zu sparen.
Üblicherweise haben einfache Spannungswandlerschaltungen einen Feedbackanschluß. Ein einfacher Widerstandsteiler wird zum Erstellen einer geregelten Ausgangsspannung benötigt. Ein Widerstandsteiler ist bei energiesparenden Schaltungen jedoch wenig sinnvoll. Abhängig von den Widerstandswerten ist entweder der Stromfluss durch den Widerstandsteiler zu hoch und führt zu hohen Verlusten, oder die Widerstandswerte sind so groß, dass der Feedbackknoten eine sehr hohe Impedanz bekommt. Diese führt dazu, daß sich Störungen in den Feedbackknoten einkoppeln können und die Regelung der zu erzeugenden Spannung stören. Störungen treten besonders in Industrieanlagen auf. Der MAX38650 hat, wie in Bild 2 zu sehen ist, einen Rsel Anschluß. Dieser arbeitet mit einem einzelnen Widerstand, der die Ausgangsspannung einstellt. Beim Einschalten des MAX38650, wird kurzzeitig ein Strom von 200µA durch den externen Widerstand geschickt. Eine resultierende Spannung stellt die zu erzeugende Ausgangsspannung für die gesamte Betriebszeit des Spannungswandlers ein.
Man bekommt das Beste aus beiden Welten. Einen geringen Verluststrom während des Betriebes und gleichzeitig eine einstellbare, robuste Ausgangsspannung.
Spannungsversorgungen bei kleinsten Signalen mit niedrigsten Störungen auch bei niedrigen Frequenzen
Viele Sensoren messen extrem kleine Signale. Um diese nicht zu verfälschen ist es notwendig, eine Spannungsversorgung mit sehr geringen Störungen einzusetzen. Leitungsgebundene und strahlende Störquellen spielen hierbei die Hauptrolle. Während sich leitungsgebundenen Störungen mit Hilfe von zusätzlichen Filterschaltungen, eingangsseitig als auch ausgangsseitig des getakteten Schaltreglers stark reduzieren lassen, ist dies bei strahlenden Signalquellen nicht so ganz einfach. Eine gutes Platinenlayout kann hier vor exzessiver Störausstrahlung schützen. Selbst dann ist noch ein Rest an eingekoppelter Störung im System vorhanden. Diese lassen sich nur mit einer guten Schirmung, also einer Umschließung mit Metall, reduzieren. Ein solcher Schirmungsaufbau ist jedoch aufwändig in der Produktion und kostenintensiv.
Eine sehr sinnvolle Lösung, um die abstrahlten Störungen auf ein Minimalmaß zu reduzieren ist das Verwenden eines Schaltreglers nach der Silent Switcher® Technologie. Hier werden gepulste Strompfade, welche in jedem getakteten Spannungswandler auftreten, symmetrisch ausgelegt, damit sich die jeweils entstehenden Magnetfelder zum größten Teil gegenseitig aufheben. Diese Technik, in Kombination mit einer Flip-Chip Technologie, bei welcher auf Bondingdrähte im Schaltregler IC generell verzichtet wird, reduziert die abgestrahlten Störungen eklatant. Eine Reduktion der abgestrahlten Störungen von bis zu 40dB ist möglich. Das entspricht einer Reduktion der abgestrahlten Leistung um einen Faktor von zehntausend.
Bild 3 zeigt den symmetrischen Aufbau der Silent Switcher® Technologie mit den gleichzeitig entstehenden lokalen gepulsten Strömen in grün dargestellt. Diese erzeugen gepulste Magnetfelder in unterschiedlicher Polarität und heben sich dadurch zum großen Teil auf.
Bild 3. Niedrigste abgestrahlte Störungen durch die Silent Switcher Technologie
Bei der Silent Switcher® Technologie gibt es mittlerweile die dritte Generation. Bei dieser Generation wird eine spezielle Technik der ‚Ultra Low Noise‘ Linearregler eingesetzt um Störungen im Niederfrequenten Bereich, besonders zwischen 10Hz und 100kHz zu reduzieren. Diese Generation der Silent Switcher® erlaubt es in vielen Anwendungen auf einen filternden Linearregler zwischen dem getakteten Schaltregler und der sensitiven Last zu verzichten.
Wenn die Bauform eine wichtige Rolle spielt – Schaltungsregler mit nur einer Spule
Manche Sensoren müssen auf sehr kleinem Bauraum platziert werden. Insbesondere, wenn ein vorhandener Sensor mit einem modernen ‚Intelligent Edge‘ Sensor auf demselben Platz ersetzt werden soll. Durch die erhöhte Funktionalität wird oft auch eine größere Anzahl an elektrischen Bausteinen benötigt. Es wird dadurch notwendig, auf innovativen Wegen die Bauform zu reduzieren. Ein interessantes Beispiel aus dem Spannungswandlungsbereich ist die SIMO Technologie. SIMO steht für Single Induktor Multiple Outputs und ermöglicht es, viele verschiedene Ausgangsspannungen mit nur einer Induktivität zu erzeugen. Es kann dadurch der Platz von mehreren Spulen eingespart werden.
Bild 4 zeigt eine Beispielschaltung eines einfachen SIMO Reglers für zwei genau geregelte Ausgangsspannungen. Auch weitere zusätzliche Versorgungsspannungen können einfach erzeugt werden. Insgesamt wird nur die eine Induktivität ‚L‘ benötigt.
Bild 4. Single Inductor Multiple Output SIMO Spannungsversorgung in kleinsten Sensoren
Die SIMO Technik kann folgendermaßen implementiert werden. Die eine Induktivität wird nacheinander für alle einzelnen Ausgangsspannungen eingesetzt. Es wird eine gewisse Energie in die Spule gesteckt, welche dann zur Erzeugung der Spannung Vout1 Verwendung findet. Danach wird wieder ein definierter Energiebetrag in die Spule gesteckt, der für die Spannungserzeugung Vout2 benutzt wird. Somit bekommt jede erzeugte Spannung genau die Energiemenge, welche gebraucht wird, um sie stabil zu halten.
Industrielle Sensorik benötigt angepaßte Spannungsversorgungen
Die in diesem Artikel aufgeführten Innovationen im Spannungsversorgungsbereich helfen alle, moderne industrielle Sensorik optimal zu versorgen. Dabei wird berücksichtigt, dass moderne Sensoren intelligenter werden. Die Auswertung der erzeugten Daten findet bereits lokal am ‚Intelligent Edge‘ statt. Moderne industrielle Anlagen werden mit immer mehr Sensoren ausgerüstet, um Prozesse zu optimieren und Ausfallzeiten zu minimieren. Innovative Energieversorgungskonzepte, wie beispielsweise Energy Harvesting, sind nötig, um den Anforderungen auch in der Zukunft gerecht zu werden.
Über den Autor
Frederik Dostal ist ein Power-Management-Experte mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in dieser Branche. Nach seinem Studium der Mikroelektronik an der Universität Erlangen kam er 2001 zu National Semiconductor, wo er als Field Applications Engineer (FAE) arbeitete und viel Erfahrung in der Implementierung von Power-Management-Lösungen in Kundenprojekten sammelte. Während seiner Zeit bei National verbrachte er auch vier Jahre in Phoenix, Arizona (USA), wo er als Applikationsingenieur an Schaltnetzteilen arbeitete. 2009 kam er zu Analog Devices, wo er seitdem verschiedene Positionen für die Produktlinie und den europäischen technischen Support innehatte und derzeit sein breites Design- und Anwendungswissen als Experte für Energiemanagement einbringt. Frederik arbeitet im ADI-Büro in München, Deutschland.