L’alimentazione per i sensori industriali: regolatore lineare o regolatore switching?


Industrial-420x300 L'alimentazione per i sensori industriali: regolatore lineare o regolatore switching?

Le fabbriche moderne dispongono di sistemi automatizzati che si basano sui feedback provenienti da numerosi sensori in tutta la fabbrica per mantenere un’elevata produttività. Queste fabbriche utilizzano un bus di campo digitale per aggregare l’enorme quantità di dati raccolti dai sensori. Maggiore è il numero di dati raccolti dai sensori, migliore è il grado di adattamento e funzionamento del sistema.

Di conseguenza, i moderni sensori industriali collegati al bus di campo devono rilevare i segnali ad una velocità maggiore e con più precisione e trasmettere tali informazioni sotto forma di segnale digitale, rispetto a un segnale analogico convenzionale. Questa funzionalità richiede processori più potenti nei sensori. Inoltre, poiché in fabbrica sono presenti più questi di questo tipo, il fattore di forma si sta riducendo. L’aumento dei requisiti di alimentazione e la riduzione del fattore di forma stanno spingendo verso un cambiamento dalla collaudata soluzione a regolatore lineare a una soluzione con regolatore switching.

L’utilizzo di un regolatore switching pone nuove sfide. Un regolatore switching presenta un fattore di forma più grande per via dell’area aggiuntiva richiesta dall’induttore. È necessario tenere conto della frequenza di commutazione del regolatore in relazione alla frequenza del segnale di misurazione.

Il layout dell’alimentatore switching risulta più critico. Se il regolatore switching è mal progettato, provoca un aumento del rumore e genera una compatibilità elettromagnetica (EMC) indesiderata che va a interferire con il rilevamento di piccoli segnali.

Fortunatamente, oggi sono disponibili dei regolatori switching CC/CC con induttore integrato che riducono al minimo molte di queste problematiche. L’integrazione dell’induttore riduce l’area del nodo di commutazione e semplifica notevolmente l’ottimizzazione del layout. La frequenza di commutazione dei nuovi convertitori CC/CC è aumentata sensibilmente, consentendo l’uso di induttori con chip di piccole dimensioni e condensatori ceramici per rendere il commutatore CC/CC l’opzione dalle minori dimensioni.

Il nuovo modulo di alimentazione LMZM23601 integra un convertitore CC/CC, un induttore, un condensatore filtro Vcc e un condensatore di avvio in un package da 3 mm x 3,8 mm x 1,6 mm. È in grado di gestire tensioni di ingresso fino a 36 V e di scendere fino a tensioni comprese tra 15 V e 2,5 V (con opzioni fisse a 5 V e 3,3 V) erogando fino a 1 A di corrente di uscita. Come mostrato nella Figura 1, è possibile realizzare una soluzione completa da 1 A in uno spazio su scheda minimo.

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Figura 1: La soluzione LMZM23601 per uscite a 3,3 V o 5 V fino a 1 A.

Segue un confronto fra l’LMZM23601 e le tradizionali opzioni a regolatore lineare per un’applicazione con trasmettitore di campo con questi requisiti:

  • Tensione di ingresso: da 10 V a 30 V, 24 V nominale.
  • Tensione di uscita: 3,3V.
  • Corrente di uscita: 35 mA.
  • Intervallo di temperature: da -40 °C a 85 °C ambiente.
  • Area su scheda: 40 mm x 4,5 mm.

Come mostrato nella Tabella 1, l’LMZM23601 presenta un vantaggio in termini di area del package e di termiche rispetto a un regolatore lineare in un package MSOP-8 (Mini Small Outline Package). Si noti che il valore RӨJA specificato nella Tabella 1 vale solo come riferimento per il confronto, poiché il valore reale è molto più alto nell’applicazione con un vero sensore, data la quantità limitata di spazio e rame su scheda. Il valore RӨJA tipico indicato nella scheda tecnica è calcolato dal Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) o da un modulo di valutazione (EVM). Ad esempio, il valore RӨJA per LMZM23601 di 45°C/W si basa su una scheda a due strati da 30 mm x 30 mm.

Opzione di progetto Ingombro package (mm) Area package (mm2) Termiche package RӨJA (C/W)
LMZM23601 3 x 3,8 11,4 45
Lineare – MSOP-8 5 x 3 15,0 60
Lineare – Package HTSSOP (Heat-sink Thin-Shrink Small Outline Package) 5,1 x 6,6 33,7 39,7
Lineare – TO-252 (Transistor Outline) 10,7 x 15,9 169,4 26,9
Lineare – TO-263 10,4 x 6,7 69,7 24,7

Tabella 1: Confronto fra opzioni di progetto con LMZM23601 e regolatore lineare per tipo di package.

Osservando la Tabella 2, il regolatore lineare dissipa (24 V – 3,3 V) x 35 mA = ~ 0,93 W di potenza, mentre l’LMZM23601 dissipa solo 0,116 W. L’aumento della temperatura nel regolatore lineare con package MSOP-8 determina una temperatura di giunzione superiore alla temperatura di giunzione del circuito integrato standard (IC) di 125 °C, mentre la temperatura di giunzione per l’LMZM23601 è 90 °C basata su un RӨJA di 45 °C/W. Anche moltiplicando il RӨJA per un fattore cinque, si otterrebbe comunque una Tj max al di sotto della temperatura di giunzione.

Opzione di progetto Dissipazione di potenza (W) Aumento di temperatura(°C) Temperatura di giunzione (°C)
LMZM23601 0,1155 5,2 90
Lineare – MSOP-8 0,9355 56,13 141

Tabella 2: Considerazioni termiche per una conversione da 24 V a 3,3 V a 35 mA.

Sulla base di questo esempio, è chiaro che un regolatore lineare non è un’opzione praticabile dal punto di vista termico. Il compromesso necessario per passare a una soluzione switching (anche con un modulo come l’LMZM23601) obbliga a tenere conto dell’ondulazione di uscita. Come mostrato nella Figura 2, l’ondulazione di uscita con un progetto LMZM23601 standard per un’uscita da 3,3 V è di circa 3 mV da picco a picco.

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Figura 2: Ondulazione di uscita dall’LMZM23601EVM per un’uscita a 3,3 V.

Per ridurre ulteriormente l’ondulazione di uscita è possibile utilizzare un filtro per il secondo stadio del tipo mostrato in Figura 3. La Figura 4 mostra come l’ondulazione di uscita è stata ridotta da 3 mV da picco a picco a <1 mV da picco a picco.

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Figura 3: LMZM23601 con un filtro per il secondo stadio.

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Figura 4: Ondulazione della tensione di uscita per LMZM23601 con un filtro per il secondo stadio.

Un regolatore switching rappresenta l’unica opzione valida per i sensori industriali con spazio su scheda limitato. L’induttore integrato LMZM23601 offre prestazioni elevate in una soluzione di dimensioni inferiori rispetto a un regolatore lineare, ma con l’efficienza di un regolatore switching.

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