Die zunehmende Ausbreitung von Industrie 4.0 verändert die industrielle Fertigungstechnik grundlegend, da sie mehr und mehr auf automatisierten Systemen beruht. Vor diesem Hintergrund bieten mehrkanalige integrierte Leistungsschalter die Möglichkeit kleine Lasten im System direkt anzusteuern. Dazu zählen Systeme wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), IO-Module oder Motorantriebe
Es ist wichtig zu entscheiden, wo der Leistungsschalter platziert wird – ob auf der High-Side (spannungsführenden Seite) oder der Low-Side (masseseitig) des Schaltkreises. Jede dieser Wahlmöglichkeiten hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.
Betrachten wir zunächst die High-Side-Konfiguration. Hier befindet sich der Schalter zwischen der Versorgung und der (mit Masse verbundenen) Last. Diese Anordnung eignet sich besonders für den Betrieb mit höheren Spannungen, wo es gilt größere Lasten zu schalten. Infolge der Potentialfreiheit der Last besteht zudem ein besserer Schutz gegen mögliche Kurzschlüsse. Durch den Einbau einer Ladungspumpe innerhalb des Leistungsschalters wird die zum Schalten notwendige - oberhalb der Versorgungsspannung liegende - Spannung am Gate des internen Schalttransistors angelegt.
Bei einer Low-Side-Implementierung befindet sich die Last zwischen der Stromversorgung und dem (masseseitigen) Schalter. Dies vereinfacht die Steuerung des Schaltvorgangs, weil die Logik, die bestimmt, ob der Schalter ein- oder ausgeschaltet werden soll, auf dieselbe Masse wie der Schaltereingang bezogen ist. Dieser Ansatz eignet sich für Systeme mit niedrigeren Spannungen und bei denen ein schnelleres Schalten erforderlich ist.
Weitere Faktoren
Neben der Entscheidung für eine geeignete Schaltkonfiguration gibt es noch weitere Aspekte zu bedenken. Industrielle Umgebungen sind oft äußerst herausfordernd. Daher ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Bedingungen, wie z.B. hohen Temperaturen, von entscheidender Bedeutung. Unumgänglich sind außerdem wirksame Mechanismen zum Schutz vor Überstrom und Übertemperatur. Mehrkanalige integrierte Leistungsschalter ermöglichen dabei Platzeinsparungen auf der Leiterplatte.
Beschaffung und Implementierung effektiver Leistungsschalterlösungen
Um die Ansteuerung von ohmschen und induktiven Lasten im industriellen Kontext zu verbessern und alle oben genannten Aspekte zu berücksichtigen, hat Toshiba zwei Mehrkanal-Leistungsschalter der nächsten Generation entwickelt. Der High-Side-Schalter TPD2015FN wird durch den Low-Side-Schalter TPD2017FN ergänzt. Diese intelligenten Leistungsbauelemente basieren auf dem proprietären BiCD-Halbleiterprozess von Toshiba, der die jeweiligen Eigenschaften von Bipolar-, CMOS- und DMOS-Technologien kombiniert.
Der High-Side-Schalter TPD2015FN unterstützt einen Spannungsbereich von 8 V bis 40 V und ist für die direkte Ansteuerung von Lasten (z.B. Motoren und Magnetspulen) vorgesehen. Dieser verfügt über insgesamt 8 N-Kanal-MOSFET-Ausgänge und integriert zudem eine Ladungspumpe (zur Erhöhung der Versorgungsspannung, damit die erforderliche Gate-Spannung erreicht wird). Er zeichnet sich durch einen niedrigen Durchlasswiderstand aus (typischerweise nur 0,55 Ω pro Kanal bei VDD 12 V), was zu einem höheren Wirkungsgrad und einer niedrigeren Verlustleistung führt (und somit weniger Wärmeabfuhr erforderlich ist).
Der Versorgungsspannungsbereich des 8-Kanal-Low-Side-Schalters TPD2017FN liegt zwischen 2,7 V und 5,5 V. Daher kann er mit den TTL-Logikspannungen (3,3 V / 5 V) arbeiten, die von Mikrocontrollern (MCUs) im System verwendet werden.
Beide neuen Leistungsschalter werden im kompakten SSOP30-Gehäuse geliefert (mit den Abmessungen von nur 9,7 mm × 7,6 mm × 1,2 mm). Dadurch wird der Platzbedarf auf der Leiterplatte gegenüber den bisherigen SSOP24-Gehäusen um 29 % minimiert und eine um 20 % niedrigere Bauhöhe erreicht. Um eine kontinuierliche Betriebszuverlässigkeit zu gewährleisten, verfügen beide Schalter über integrierte Überstrom- und Übertemperaturschutzfunktionen. Darüber hinaus wird ein Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +110 °C unterstützt.
Zusammenfassung
Die Wahl von robusten, leistungsfähigen High-Side- und Low-Side-Leistungsschaltern, wie sie in diesem Artikel beschrieben wurden, bietet substantielle Vorteile für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Toshiba’s neue 8-Kanal Leistungsschalter weisen eine kleinere Bauform sowie geringere Verlustleistung auf.
Autor: Klaus Neuenhüskes, Senior Manager Semiconductor Marketing, Toshiba Electronics Europe GmbH
