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di Timothy Hegarty
I trasmettitori di sensori intelligenti sono ampiamente utilizzati nell’automazione industriale , nella strumentazione di processo e nelle apparecchiature di controllo per misurare temperatura, pressione, flusso, livello e molte altre variabili di processo. La Figura 1 è un diagramma a blocchi di un trasmettitore da campo che misura la temperatura come variabile primaria utilizzando un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD), un termistore o una termocoppia.
Figura 1: Diagramma a blocchi del trasmettitore di temperatura per applicazioni di controllo di processo
La catena del segnale comprende il front-end analogico del sensore, il microcontrollore (MCU) e i convertitori analogico-digitale e digitale-analogico ad alta precisione.
Alimentazione di sensori intelligenti dal loop 4-20 mA
Mentre l’MCU e i convertitori di dati di un circuito trasmettitore di sensore di base sono generalmente ottimizzati per una bassa corrente operativa, la funzionalità aggiunta nelle applicazioni di sensori intelligenti ad alte prestazioni porta a un aumento della richiesta di corrente. Ad esempio, il consumo di corrente è maggiore quando il circuito include funzionalità quali isolamento, calibrazione e diagnostica, un’interfaccia con display a cristalli liquidi (LCD) o opzioni di connettività wireless come Bluetooth® a basso consumo energetico o wireless HART® .
Tali sistemi di sensori intelligenti potrebbero non essere in grado di soddisfare le tipiche soglie di corrente di sottoscala o il livello di scala zero di 4 mA del circuito di corrente da 4-20 mA. Ad esempio, le correnti di circuito predefinite che delimitano le correnti a errore basso e alto per DAC161S997 di TI sono rispettivamente 3,375 mA e 21,75 mA. La specifica NAMUR NE43 ha soglie di corrente simili. Fortunatamente, un convertitore buck sincrono ad alta efficienza fornisce una corrente di uscita più elevata rispetto a un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) per alimentare l’elettronica del sensore, raccogliendo meno di 3,375 mA dal circuito.
Convertitore buck sincrono V IN ampio e basso I Q
Per l’alimentazione dei sensori, la soluzione buck sincrona LMR36501 di TI dispone di una corrente di quiescenza ultrabassa e ad alta efficienza (I Q = 1,2 uA). Funzionando da un ampio intervallo di tensione di ingresso (V IN ) di 20:1 ed è in grado di sostenere picchi ripetitivi di 65 V, la sua tensione di uscita è immune a oscillazioni di tensione ampie e rumorose all’ingresso. Tali prestazioni di immunità ai transitori sono fondamentali nelle applicazioni di sensori che richiedono elevata affidabilità.
La Figura 2 mostra lo schema del convertitore configurato per un’uscita di 5 V a 25 mA con polarità inversa e protezione da sovratensioni transitorie che aiuta a raggiungere la compatibilità elettromagnetica (EMC).
Figura 2: Uscita 5 V, 100 mA, design LMR36501
Varie funzionalità incorporate nell’LMR36501 per applicazioni con sensori intelligenti includono un design del convertitore piccolo (2 mm x 2 mm) con componenti passivi minimi, efficienza a carico leggero ottimizzata e corrente di quiescenza, design del pacchetto a basso rumore, flag power-good per il sequenziamento del power-rail e segnalazione guasti, avvio graduale fisso internamente e abilitazione precisione con isteresi personalizzabile per blocco di sottotensione di linea programmabile (UVLO). La Figura 3 mostra l’efficienza del convertitore per una corrente di carico da 1 mA a 100 mA.
Figura 3: Efficienza di uscita LMR36501 da 1 MHz, 5 V
Proposta di valore di un convertitore buck con ampio V IN e basso I Q
Il vantaggio di un convertitore buck V IN ampio come LMR36501 risiede nel suo insieme di funzionalità coerenti, che soddisfa una serie specifica di esigenze di soluzioni di alimentazione:
- Design buck sincrono con elevata efficienza su un ampio intervallo di corrente di carico.
- Affidabilità migliorata con una temperatura di giunzione operativa nominale di 150°C.
- Ampio intervallo V IN con margine sufficiente per sopravvivere ai disturbi transitori della tensione di ingresso, consentendo l’uso di un diodo soppressore transitorio (TVS) a tensione più elevata (e ingombro ridotto).
- Soluzione di piccole dimensioni per custodie per sensori con vincoli di spazio.
- Capacità di ingresso ridotta per soddisfare i requisiti dell’applicazione (sicurezza).
- Design del pacchetto a bassa rumorosità, per soddisfare i requisiti EMC.
Per sfruttare tutto il potenziale dei moderni trasmettitori con sensore alimentati da loop e mantenere la semplice architettura a due fili, il convertitore buck sincrono a basso IQ LM5165 fornisce una corrente di carico adeguata soddisfacendo al tempo stesso il loop di corrente, le dimensioni della soluzione, l’affidabilità e i requisiti EMC.
