Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Elektronikindustrin hittar kontinuerligt sätt att packa mer data på samma utrymme. Först genom Moores lag för kisel, därefter med sofistikerade kapslingstekniker. Det senare bidrar till att höja effekttätheten genom att packa fler watt på samma antal kvadratmillimeter. 

I denna artikel presenterar vi ett annorlunda grepp för att förbättra effekttätheten för industriella sensorer genom en ny lösning som är miniatyriserad, lätt att konstruera med och högpresterande.

Den industriella sensormiljön
I industriella tillämpningar kan sensorn placeras var som helst i en fabrik. Styrenheten – typiskt en PLC – tar emot information från sensorn via digitala och/eller analoga I/O-moduler och skickar lämpliga instruktioner till aktuatorn via en fältbuss. 

Digitala sensorer har en transceiver eller ett binärt gränssnitt, medan analoga sensorer arbetar på en 4–20 mA-slinga. Moderna sensorer använder styrkretsar för att fatta enkla beslut på sensornivå, vilket gör att de inte behöver vänta på en PLC. Därmed förbättras genomströmningen i ­fabriken och adaptiv tillverkning möjliggörs. Samtidigt ställs mycket höga krav på den termiska budgeten, liksom på storleken hos strömförsörjningen.

Den digitala sensorns transceiver kan exempelvis vare ett IO-link-gränssnitt som hanterar data och routar 24 V till en nedkonverterande spänningsomvandlare, som levererar 5 V eller 3,3 V till styrkretsen och till sensorelementen. Denna omvandling – från 24 V till 5 V/3,3 V – kan orsaka stora ­effektförluster, ta stort utrymme och ta lång tid att konstruera. Även om vi här använder sensorlösningar som exempel, gäller samma sak för DC/DC-omvandlare i motorer. 

Traditionell LDO-lösning
Om strömmen är tillräckligt låg anses det ofta fördelaktigt att använda en LDO efter­som den är liten och enkel att konstruera med. En sådan lösning är dock väldigt in­effektiv, med en verkningsgrad på bara 21 procent vid omvandling från 24 till 5 V. Om strömmen är hög – vilket är fallet med moderna sensorer – kräver lösningen en kylfläns. Den tar stor plats och upphäver den fördel som LDO:n annars har i sin ringa storlek.

Traditionell switchad lösning
En typisk kretskortslayout av en modern synkron switchad omvandlare med en inspänning på 24 V och strömmen 150 mA visas i figur 1. Det är en effektiv strömförsörjningslösning, men den har sina begränsningar i hur den utnyttjar kretskorts­ytan. Den tar upp 32,5 kvadratmillimeter, vilket påverkar effekttätheten. 

Denna metod kräver dessutom kunskap i att konstruera med switchade omvandlare. Likaså måste lång tid ägnas åt design och test. Här kan man också konstatera att de riktlinjer som finns för tillverkning – som kräver ett visst avstånd mellan komponenter – kommer att ta ytterligare kretskorts­yta i anspråk.

Traditionell modullösning
För att förenkla konstruktionsprocessen har flera tillverkare utvecklat switchade omvandlare i form av moduler. Dessa innehåller typiskt en buckomvandlare och induktor, se figur 2. Moduler är enkla att konstruera med och effektiva, men de tar stor plats på kretskortet. 

I det här exemplet tar modullösningen 47,2 kvadratmillimeter. Det är hela 45 procent mer yta än den diskreta konstruktionen i figur 1, där en DC-DC-omvandlare och en extern induktor används.

Kapslingstekniken µSLIC
Då är frågan – kan mer effekt levereras i en mindre modul?

Maxim har utvecklat en arkitektur med namnet µSLIC, kort för micro System-Level IC. 

Arkitekturen kombinerar en buckomvandlare, kallad Himalaya, med passiva komponenter. Den nya kraftmodulen leve­rerar mer effekt på mindre utrymme än något jämförbart alternativ. Likaså har den hög verkningsgrad och är enkel att konstruera med. 

Kraftmodulen µSLIC
Den nya arkitekturen integrerar induktorn och buckomvandlaren vertikalt, vilket radikalt minskar utrymmet som upptas på kretskortet jämfört med standardlösningar. Samtidigt har den lilla modulen god tolerans mot höga spänningar och höga arbetstemperaturer. 

MAXM17532 är en av två tillgängliga µSLIC-moduler. Den kommer i en kapsling som mäter 2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm, har tio anslutningar och låg profil. Den arbetar över ett brett temperaturområde, från –40 °C till +125 °C. 

Modulen har ett inspänningsområde på upp till 42 V och ger 100 mA ut. I figur 3 går det att se storleken på MAXM17532. I samma formfaktor går det även att få MAXM15462, som kan leverera 300 mA. 

Minimal storlek
I figur 4 går det att se hur mycket kortyta en konstruktion med MAXM17532 upptar. Tack vare den vertikala uppbyggnaden blir den total ytan inte mer än 14,3 kvadrat­millimeter. Det är 2,25 gånger mindre än lösningen som illustreras i figur 1, och hela 3,3 gånger mindre än den traditionella modulen som visas i ­figur 2.

Verkningsgrad
Trots att MAXM17532 är mycket liten har omvandlaren hög verkningsgrad – den når upp till 90 procent. I figur 5 går det att se verkningsgradskurvan när utspänningen är 5 V och inspänningen varierar. 

Robust, med låg EMI
När modulen konstruerats har ledningslängder minimerats och jordslingor eliminerats – allt för att minimera utstrålad störning. Samtidigt används högfrekventa keramiska kondensatorer för att minska ledningsbunden störning. 

I figur 6 går det att se den utstrålade störningen från MAXM17532, medan figur 7 ­visar den ledningsbundna störningen. Båda uppfyller specifikationen CISPR22 CLASS B.

Robust mot mekaniska påverkan
Det är viktigt med hög termisk, elektrisk och elektromagnetisk prestanda. Samtidigt är det väsentligt att modulen har hög tolerans mot mekaniska påkänningar. 

Himalaya-modulen uppfyller Jedecstandarderna JESD22-B103/B104/B111, som testar chock, vibration och att enheten klarar att tappas (drop). Det garanterar att den utan problem kan användas i sensorlösningar i tuffa miljöer inom exempelvis industri-, medicin-, försvar- och konsumentområdet.

Höga strömmar
Ytterligare en modul – MAXM15462 – finns tillgänglig med µSLIC-arkitektur och samma fotavtryck som MAXM17532. Den hanterar högre laster, upp till 300 mA, och uppfyller samma specifikationer som nämnts ovan.