DE102020118176A1 - DC / DC Wandlerschaltung zur phasenmodulierten, insbesondere bidirektionalen Kommunikation - Google Patents

DC / DC Wandlerschaltung zur phasenmodulierten, insbesondere bidirektionalen Kommunikation Download PDF

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Abstract

DC / DC Wandlerschaltung zur phasenmodulierten Kommunikation, aufweisend:- einen Push-Pull Treiber (2) an den eingangsseitig ein Referenztakt (ref_clk) mit einer fest vorgegeben Frequenz anlegbar ist;- einen Transformator (3) mit einer Primär- und Sekundärwicklung (31, 32), wobei der Push-Pull Treiber (2) ausgangsseitig mit der Primärwicklung (31) verbunden ist;- einen Synchrongleichrichter (4), der AC-seitig nur mit der Sekundärwicklung verbunden ist;- einen Resonanzkreis (Cr0, Lr) umfassend zumindest eine Kapazität (Cr0) und eine Induktivität (Lr), wobei der Resonanzkreis (Cr0, Lr) derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des Resonanzkreises (Lr) auf einer Primärseite (33) des Transformators (30) und ein anderer Teil (Cro) des Resonanzkreises auf einer Sekundärseite (34) des Transformators (30) ausgebildet ist;- einer auf einer Sekundärseite (33) des Transformators (30) dem Synchrongleichrichter (40) nachgeschalteten Entkopplungsinduktivität (L0), welche nicht Teil des Resonanzkreises ist; und- eine in Serie zu der Entkopplungsinduktivität (Lo) geschaltet Ausgangskapazität (Cout) über die eine Ausgangsspannung (Uout) bereitgestellt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine DC / DC Wandlerschaltung zur phasenmodulierten, insbesondere bidirektionalen Kommunikation, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen DC / DC Wandlerschaltung, ein Kommunikationssystem zur bidirektionalen galvanisch getrennten Kommunikation sowie ein Feldgerät mit einem solchen Kommunikationssystem.
  • In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
  • Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
  • Viele Feldgeräte sind als sogenannte 2-Leiter Versionen erhältlich. Hierbei erfolgt die Energieversorgung des Feldgeräts über das gleiche Leitungspaar, über das auch die Kommunikation erfolgt.
  • Im Gegensatz zu 2-Leiter-Geräten benötigen 4-Leiter-Geräte ein zusätzliches Leitungspaar für die Energieversorgung, dadurch erhöht sich natürlich der Verkabelungsaufwand. Bei 2-Leiter-Geräten unterliegt die zur Verfügung stehende Leistung meist gewissen Einschränkungen. Die Eingangsspannung variiert normalerweise zwischen 10 und 36 V. Bei einer 4-20 mA Stromschleife stehen z. B. typischerweise minimal 4 mA bei einer Eingangsspannung von ca. 12 V zur Verfügung.
  • Insbesondere in der Prozessindustrie müssen physikalische oder technische Größen durch die Feldgeräte oftmals in Bereichen gemessen bzw. ermittelt werden, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht, sogenannte explosionsgefährdete Bereiche. Durch geeignete Maßnahmen in den Feldgeräten und Auswertesystemen (wie z. B. Spannungs- und Strombegrenzung) kann die elektrische Energie, die im System zum Übermitteln der Signale vorhanden ist, so begrenzt werden, dass unter keinen Umständen (Kurzschluss, Unterbrechungen, thermische Effekte, ...) eine Explosion ausgelöst werden kann. Hierfür sind in der IEC EN DIN 60079-ff entsprechende Schutzprinzipien festgelegt worden.
  • Gemäß dieser Norm sind basierend auf den anzuwendenden Zündschutzarten konstruktive und schaltungstechnische Maßnahmen für die Feldgeräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen definiert. Zwei dieser Zündschutzarten stellen die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ (Kennzeichnung Ex-d, IEC EN DIN 60079-1) und die Zündschutzart „Eigensicherheit“ (Kennzeichnung Ex-i bzw. Ex-ia, IEC EN DIN 60079-11) dar.
  • Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ (Ex-i bzw. Ex-ia) basiert auf dem Prinzip der Strom- und Spannungsbegrenzung in einem Stromkreis. Die Energie des Stromkreises, die in der Lage sein könnte, eine explosionsfähige Atmosphäre zum Zünden zu bringen, wird dabei so begrenzt, dass weder durch Funken noch durch unzulässige Erwärmung der elektrischen Bauteile die Zündung der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre stattfinden kann.
  • Für gewöhnlich besteht das Feldgerät deswegen aus einer Hauptelektronik, an die der 2-Leiter oder ggfls. auch der 4-Leiter angeschlossen wird und einer von der Hauptelektronik galvanisch getrennten Sensorelektronik, welche über ein Sensorelement die zu erfassende physikalische Größe bestimmt. Zur Energie- und Datenübertragung sind zwischen Hauptelektronik und Sensorelektronik üblicherweise mehrere galvanisch getrennte Schnittstellen vorgesehen.
  • Um eine Datenkommunikation zwischen der Hauptelektronik und der Sensorelektronik zu ermöglichen, weisen derartige Feldgeräte galvanisch getrennte Datenschnittstellen auf, welche beispielsweise induktiv, kapazitiv oder optisch ausgestaltet sein können.
  • In der Regel werden von der Sensorelektronik Messdaten, welche die erfasste physikalische Größe repräsentieren, an die Hauptelektronik und von der Hauptelektronik vor allem Parameter an die Sensorelektronik über die galvanisch getrennten Schnittstellen übertragen.
  • Zur Energieversorgung der Sensorelektronik ist ferner eine zusätzliche galvanisch getrennte DC / DC Wandlerschaltung vorgesehen. Über die DC / DC Wandlerschaltung wird von der Hauptelektronik Energie zu der Sensorelektronik über einen zusätzlichen Kanal übertragen.
  • Bei derartigen DC / DC Wandlern, die zur Potentialtrennung bei Feldgeräten mit kleinster Leistung vorgesehen sind, sind im Wesentlichen zwei Vorgaben für die Umsetzbarkeit entscheidend.
  • Zum einen die Größe eines möglichen Aufbaues einer solchen DC / DC Wandlerschaltung sowie eine möglichst geringe Komplexität. Zum anderen der Wirkungsgrad und die Schaltperformance in Relation zum Realisationsaufwand.
  • Durch diese Vorgaben haben sich die zwei in 1 dargestellten Schaltungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik etabliert. Dies insbesondere auch aufgrund der geringen Komplexität der Schaltungsanordnungen. So weisen beide Schaltungsanordnungen, einen Pull-Push-Treiber, einen daran anschließenden Transformator, einen Dioden-Gleichrichter, optional ein Filterelement in Form einer Speicherdrossel und ein Ausgangskondensator auf. Bei Kleinstleistungen (<5W) ist es nicht unüblich, eine mögliche Speicherdrossel zur Entkopplung des Ausgangskondensators wegzulassen.
  • Die beiden in 1 dargestellten DC / DC Wandlerschaltungen weisen jedoch insbesondere bei kleinen Leistungen bezüglich des Wirkungsgrades und des Lastverhaltens erhebliche Nachteile auf:
    • - Durch die Streuinduktivität des Transformators (in 1 durch die Induktivität Lo dargestellt) sowie aufgrund der Dioden-Flussspannungen im Gleichrichter ist die Ausgangsspannung stark lastabhängig. Dies ist bis zu einem Faktor zwei zwischen Leerlauf (Spitzenwertgleichrichtung) und Volllast möglich.
    • - Bei höheren Schaltfrequenzen, ab ca. 100kHz sinkt der Wirkungsgrad der Schaltung durch die Kommutierungsverluste im Gleichrichter, da alle Dioden kurzzeitig leitend sind. Dieser Effekt verschärft sich zusätzlich noch, wenn die Dioden durch aktive Schaltelemente ersetzt werden (Synchrongleichrichter).
    • - Je höher die Schaltfrequenz liegen soll / muss, umso mehr verschlechtert sich die Performance der Schaltung (Kommutierungsverluste, Einfluss Streuinduktivität, Leerlauf / Volllast Verhalten). Schaltfrequenzen bis ca. 1MHz können notwendig werden, wenn z.B. die Schaltfrequenz zugleich als Referenzkanal für eine digitale Signalübertragung genutzt werden soll. Für diesen Fall muss die Performance einer konventionellen Schaltung stark verbessert werden, um die Machbarkeit zu gewährleisten.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine DC / DC Wandlerschaltung vorzuschlagen, die eine gleiche oder nur geringfügig höhere Komplexität gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten DC / DC Wandlerschaltungen aufweist und gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad und ein verbessertes Lastverhalten hat und bei der zusätzlich noch die Schaltfrequenz erhöht werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die DC / DC Wandlerschaltung gemäß Patentanspruch 1, das Verfahren gemäß Patentanspruch 11, das Kommunikationssystem gemäß Patentanspruch 13 sowie dem Feldgerät gemäß Patentanspruch 16.
  • Die erfindungsgemäße DC / DC Wandlerschaltung zur phasenmodulierten, insbesondere bidirektionalen Kommunikation, umfasst:
    • - einen Push-Pull Treiber an den eingangsseitig ein Referenztakt mit einer fest vorgegeben Frequenz anlegbar ist;
    • - einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, wobei der Push-Pull Treiber ausgangsseitig mit der Primärwicklung verbunden ist;
    • - einen Synchrongleichrichter, der AC-seitig, vorzugsweise nur mit der Sekundärwicklung verbunden ist;
    • - einen Resonanzkreis, umfassend zumindest eine Kapazität und eine Induktivität, wobei der Resonanzkreis derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des Resonanzkreises auf einer Primärseite des Transformators und ein anderer Teil des Resonanzkreises auf einer Sekundärseite des Transformators ausgebildet ist;
    • - einer auf einer Sekundärseite des Transformators dem Synchrongleichrichter nachgeschalteten Entkopplungsinduktivität, welche nicht Teil des Resonanzkreises ist; und
    • - eine in Serie zu der Entkopplungsinduktivität geschaltet Ausgangskapazität über die eine Ausgangsspannung bereitgestellt wird.
  • Erfindungsgemäß wird eine DC / DC Wandlerschaltung vorgeschlagen, die Schaltfrequenzen bis in den MHz Bereich ermöglicht, sodass die Schaltung neben dem reinen Bereitstellen einer Ausgangspannung zur Energieversorgung auf der Sekundärseite des Transformators auch zur phasenmodulierten Kommunikation kombiniert werden kann. Ferner weist die erfindungsgemäße DC / DC Wandlerschaltung eine geringere Ausgangsspannungsschwankungen zwischen Leerlauf und Volllast auf sowie einen wesentlich besseren Wirkungsgrad trotz erhöhter Schaltfrequenzen als die aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen auf.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung sieht vor, dass der auf der Sekundärseite des Transformators ausgebildete Teil des Resonanzkreises DC-seitig mit dem Synchrongleichrichter verbunden ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Synchrongleichrichter vier gesteuerte Feldeffekttransistoren umfasst und die Feldeffekttransistoren über Steuerleitungen mit der Sekundärwicklung des Transformators direkt verbunden sind, sodass eine Transformator-Ausgangsspannung die Feldeffekttransistoren ansteuert und/oder dass der Synchrongleichrichter in einer positiven Hälfte aus P-Kanal MOSFETs und in einer negativen Hälfte aus N-Kanal MOSFETs ausgebildet ist.
  • Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung sieht vor, dass der auf der Sekundärseite des Transformators ausgebildete Teil des Resonanzkreises AC-seitig mit dem Synchrongleichrichter verbunden ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Synchrongleichrichter zwei gesteuerte Feldeffekttransistoren umfasst, und die Feldeffekttransistoren über Steuerleitungen mit der Sekundärwicklung des Transformators direkt verbunden sind, sodass eine Transformator-Ausgangsspannung die Feldeffekttransistoren ansteuert und/oder dass die Ausgangsspannung zwischen der Entkopplungsinduktivität und einer Mittenanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators abgegriffen wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung sieht vor, dass DC / DC Wandlerschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldeffekttransistoren derartig mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind, dass jeweils ein Drainanschluss an einen Wicklungsanfang und jeweils ein Gateanschluss der Feldeffekttransistoren an ein Wicklungsende der Sekundärwicklung oder dass jeweils ein Drainanschluss an ein Wicklungsende und jeweils ein Gateanschluss an ein Wicklungsanfang der Sekundärwicklung angeschlossen ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung sieht vor, dass ein Wicklungsverhältnis des Transformators der DC / DC Wandlerschaltung so gewählt ist, dass die sekundärseitige Transformator-Ausgangsspannung kleiner 20 V ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung sieht vor, dass auf der Primärseite des Transformators eine Eingangskapazität zur DC Unterdrückung vorhanden ist, wobei die DC / DC Wandlerschaltung so ausgebildet ist, dass die Eingangskapazität nicht Teil des Resonanzkreises ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer DC / DC Wandlerschaltung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, wobei zum Betreiben der DC / DC Wandlerschaltung an den Push-Pull Treiber eingangsseitig ein Referenztakt mit einer fest vorgegeben und während des Betriebs nicht veränderten Frequenz angelegt wird.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Frequenz größer als 100 kHz ist, besonders bevorzugt bei ca. 450 kHz liegt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kommunikationssystem zur bidirektionalen galvanisch getrennten Kommunikation umfassend:
    • - eine DC / DC Wandlerschaltung gemäß einer zuvor beschriebenen Ausgestaltung, wobei die DC / DC Wandlerschaltung durch den Transformator eine erste galvanische Trennung aufweist und die Ausgangspannung zur Energieversorgung auf der Sekundärseite des Transformators bereitstellt;
    • - einen Sende-Übertragungskanal mit einer Modulatoreinheit, die über eine zweite galvanische Trennung datenleitend mit einer Demodulationseinheit verbunden ist;
    • - einen Empfangs-Übertragungskanal mit einer Demodulatoreinheit, die über eine dritte galvanische Trennung mit einer Modulatoreinheit verbunden ist;

    wobei die DC / DC Wandlerschaltung ferner primärseitig und sekundärseitig für die Modulationseinheiten bzw. Demodulationseinheiten einen zur Modulation bzw. Demodulation notwendigen Referenztakt bereitstellt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems sieht vor, dass der Referenztakt primärseitig durch einen Abgriff am Ausgang des Push-Pull Treibers der DC / DC Wandlerschaltung realisiert ist und der Referenztakt sekundärseitig durch einen Abgriff an dem Ausgang des Transformators der DC / DC Wandlerschaltung realisiert ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems sieht vor, dass sekundärseitig eine Phasenshifteinheit zum Verschieben der Phase des Referenztaktes um 90° eingebracht ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich, insbesondere einem Ex-ia und/oder Ex-d Bereich, aufweisend eine Hauptelektronik und eine davon galvanisch getrennte Sensorelektronik, wobei die Hauptelektronik mit der Sensorelektronik über ein Kommunikationssystem gemäß einer zuvor beschriebenen Ausgestaltung datenleitend verbunden ist.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: zwei aus dem Stand der Technik bekannte DC / DC Wandlerschaltungen,
    • 2: eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung,
    • 3: eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung,
    • 4: typische Spannungsformen bzw. -verläufe der Spannungen am Synchrongleichrichter,
    • 5: den typischen Spannungsverlauf bzw- formen der Transformator Eingangs- bzw. Ausgangsspannung,
    • 6: eine Schaltungssimulation zum Verdeutlichen des Unterschieds zwischen der AC- und DC-seitigen Anordnung der Resonanzkapazität Cr0,
    • 7: ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem zur bidirektionalen galvanisch getrennten Kommunikation, und
    • 8: ein Blockschaltbild eines Feldgerät der Automatisierungstechnik, welches mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich, insbesondere einem Ex-ia und/oder Ex-d Bereich, ausgebildet ist.
  • 1 zeigt zwei aus dem Stand der Technik bekannte DC / DC Wandlerschaltungen, auf die eingangs schon eingegangen wurde.
  • 2 zeigt eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung umfasst eingangsseitig einen Push-Pull Treiber mit einem invertierenden (in 2 durch einen Punkt am Ausgang gekennzeichnet) und einem nicht invertierenden Treiber, die parallel zueinander geschaltet sind und an deren Eingang ein Refereztakt ref_clk angelegt bzw. anlegbar ist.
  • Ferner umfasst die Schaltungsanordnung einen Transformator, dessen Primärwicklung mit den jeweiligen Ausgängen der Treiberstufen verbunden sind. Optional kann die Schaltungsanordnung auch einen Kondensator zur DC Unterdrückung CDC aufweisen, der zwischen die Primärwicklung und einem Ausgang des nicht invertierenden Operationsverstärkers geschaltet ist. Eine durch den Betrieb des Transformators hervorgerufene Streuinduktivität ist ebenfalls auf der Primärseite des Transformators durch Lo berücksichtigt und in 2 dargestellt.
  • An den Transformator ist sekundärseitig ein Synchrongleichrichter angeschlossen. Der Synchrongleichrichter kann, wie in 2 dargestellt, mittels vier MOSFETs aufgebaut sein. In der positiven Hälfte sind es P-Kanal, in der negativen Hälfte N-Kanal MOSFETs. Zur Ansteuerung sind die Gate-Anschlüsse der MOSFETs direkt mit der Sekundärseite des Transformators verbunden, sodass die Transformator Ausgangsspannung die MOSFETs ansteuert. Die Ansteuerung der MOSFETs erfolgt hierbei vorzugsweise über gekreuzte Steuerleitungen. Dies bedeutet, dass die MOSFETS 41-44 derartig mit der Sekundärwicklung 32 des Transformators 30 verbunden sind, dass jeweils ein Drainanschluss an einen Wicklungsanfang und jeweils ein Gateanschluss der MOSFETS 41-44 an ein Wicklungsende der Sekundärwicklung 32 oder dass jeweils ein Drainanschluss an ein Wicklungsende und jeweils ein Gateanschluss an ein Wicklungsanfang der Sekundärwicklung 32 angeschlossen ist.
  • An den Synchrongleichrichter ist DC-seitig ein Ausgangskondensator Cout parallel zum Ausgang des Synchrongleichrichters geschaltet. Der Ausgangskondensator Cout ist mit einer Induktivität L0, welche einen Wert grösser 200 Mikrohenry (µH) aufweist, vom Synchrongleichrichter entkoppelt.
  • Funktional bildet die Induktivität L0 und der Ausgangskondensator Cout ein Filter am Ausgang des Synchrongleichrichters. Diese Entkopplung ist notwendig, da durch den Resonanzkreis die Spannung am Gleichrichterausgang Ubr pulsiert. 4 zeigt hierfür exemplarisch typische Spannungsformen bzw. -verlaufe der Spannungen am Synchrongleichrichter Eingang ULeg und am Synchrongleichrichter Ausgang Ubr. Gut zu erkennen ist das Pulsieren der Ausgangspannung Ubr in der oberen Hälfte des Diagramms.
  • Ferner ist primärseitig eine zusätzliche Induktivität L1 angeordnet, die in Serie mit dem Transformator geschaltet ist und die zusammen mit der Streuinduktivität Lo eine Resonanzinduktivität Lr bildet. Die Resonanzinduktivität Lr bildet zusammen mit einer sekundärseitig angeordneten Resonanzkapazität Cr0, die parallel zu einer Last wirkt, einen Resonanzkreis. Die Resonanzkapazität Cr0 weist ferner eine in Serie zu der Resonanzkapazität Cr0 parasitär wirkende Induktivität Lr0 auf, die ebenfalls in 2 dargestellt ist. Es sei hier erwähnt, dass der zur DC Unterdrückung CDC primärseitig angeordnete Kondensator nicht Teil des Resonanzkreises ist. Die Dimensionierung des Resonanzkreises kann beispielsweise über entsprechende Simulationen oder experimentell erfolgen.
  • 5 zeigt exemplarisch das Ergebnis einer solchen Schaltungssimulation. Aus 5 wird ersichtlich, wie aufgrund des Resonanzkreises Lr / Cr0 die rechteckförmige Spannungsanregung am Transformator-Eingang UCDC zu einer sinusförmigen Ausgangsspannung ULeg auf der Sekundärseite des Transformators führt.
  • Die Resonanzfrequenz von Lr0 / Cr0 << Lr /Cr0 beeinflusst das Kommutierungsverhalten, typischerweise ist Lr0 parasitär und kann bzw. sollte minimiert werden. Zur Auslegung der Schaltung hat sich ein Verhältnis von (Lr0 / Cr0) / (Lr /Cr0) < 10 als besonders günstig herausgestellt.
  • Die Resonanzkapazität Cr0 kann, je nach Ausprägung des Synchrongleichrichters, vor oder nach dem Synchrongleichrichter, d.h. AC- oder DC-seitig von dem Synchrongleichrichter, angeordnet sein. In der in 2 dargestellten Ausgestaltung ist die Resonanzkapazität Cr0 DC-seitig von dem Synchrongleichrichter angeordnet. Die DC-seitige Anordnung weist geringere Kommutierungsverluste auf, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist die einfachere Realisierung des Transformators.
  • 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen DC / DC Wandlerschaltung. Die DC / DC Wandlerschaltung ist dabei in großen Teilen gleich wie die in 2 dargestellte DC / DC Wandlerschaltung ausgebildet. Unterschiedlich ist allerdings, dass der Synchrongleichrichter nicht als Vierweggleichrichter, sondern als Zweiweggleichrichter mit einer Mittenanzapfung an der Sekundärwicklung des Transformators zur Spannungsversorgung ausgebildet ist.
  • Ferner unterscheiden sich die beiden DC / DC Wandlerschaltungen durch die Anordnung der Resonanzkapazität Cr0 mit der dazugehörigen parasitären Induktivität Lr0. Diese ist gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung zwischen der Transformator Ausgangsseite und einer Synchrongleichrichter Eingangsseite, d.h. AC-seitig von dem Synchrongleichrichter angeordnet. Die beiden Gates der MOSFETs sind wiederum über gekreuzte Steuerleitungen mit der Sekundärwicklung des Transformators zur Ansteuerung verbunden.
  • Eine derartige gekreuzte Ansteuerung der Gates der MOSFETs bietet sich, gemäß der ersten als auch der zweiten Ausgestaltung, insbesondere dann an, wenn die DC / DC Wandlerschaltung derartig ausgebildet ist, dass eine Ausgangsspannung des Transformators kleiner ca. 20 V ist. Dies kann beispielsweise über ein entsprechendes Wicklungsverhältnis des Transformators realisiert werden.
  • Wie zuvor erwähnt, beeinflusst die Anordnung der Resonanzkapazität Cr0 mit der zugehörigen parasitären Induktivität Lr0 (AC- oder DC-seitig) sowie die Schaltschwellen der MOSFETs des Synchrongleichrichters die Kommutierung. 6 zeigt eine Schaltungssimulation zum Verdeutlichen des Unterschieds zwischen der AC- und DC-seitigen Anordnung der Resonanzkapazität Cr0 (mit der zugehörigen parasitären Induktivität Lr0) einmal nach dem Synchrongleichrichter, d.h. auf der DC-Seite (linkes Diagramm) und einem vor dem Synchrongleichrichter, d.h. auf der AC-seite (rechts Diagramm). Die aufgetragenen Spannungen UTr1 und UTr2 stellen dabei die Spannungen auf der Sekundärseite des Transistors einmal am Wicklungsanfang UTr1 und einmal am Wicklungsende UTr2 dar. Bei der DC-seitigen Anordnung der Resonanzkapazität Cr0 mit der zugehörigen parasitären Induktivität Lr0 gemäß der ersten Ausgestaltung bewirkt ein, durch den Resonanzkreis eingeprägten Strom im Transformator einen nicht sinusförmigen schnellen Anstieg der Transformator Ausgangsspannung während der Kommutierung. Dies führt zu einem schnelleren Ein- und Ausschalten der MOSFETs im Nulldurchgang der Transformator Sekundärspannung. Dieser Effekt ist in 6 auf dem linken Diagramm dargestellt und durch zwei Kreise kenntlich gemacht. Dieser Effekt ist nur bei der Vollbrücken-Synchrongleichrichter Variante gemäß der ersten Ausgestaltung nutzbar, da bei der Halbbrücken-Synchrongleichrichter Variante gemäß der zweiten Ausgestaltung zwischen zwei Wicklungen umgeschaltet und nicht eine Wicklung umgepolt wird. Weiterhin wird aus 6 ersichtlich, dass sich der Kommutierungsvorgang im Nulldurchgang der Spannung abspielt. Es ist also annähernd eine Zero Voltage Switching vorhanden.
  • Die erfindungsgemäße DC / DC Wandlerschaltung bietet gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten und in 1 dargestellten DC / DC Wandlerschaltung die Folgenden Vorteile:
    • - Es ist eine Schaltfrequenz bis in den MHz Bereich möglich.
    • - Geringere Schwankungen der Ausgangsspannung zwischen Leerlauf und Volllast.
    • - Dank der Synchrongleichrichtung einen wesentlich besseren Wirkungsgrad trotz einer erhöhten Schaltfrequenz.
  • Die beiden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen einer DC / DC Wandlerschaltung lassen sich in ein robustes galvanisch getrenntes bidirektionales Kommunikationssystem integrieren. Hierbei dient die Schaltfrequenz zugleich als ein Referenzsignal für eine Modulation bzw. eine Demodulation (+- 90° Phasenmodulation).
  • 7 zeigt ein solches galvanisch getrenntes bidirektionales Kommunikationssystem. Das Kommunikationssystem umfasst zwei Kommunikationskanäle über die Daten gesendet und empfangen werden können sowie eine DC / DC Wandlerschaltung.
  • Die DC / DC Wandlerschaltung 1 kann entweder gemäß der ersten oder zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ausgebildet sein. Über die DC / DC Wandlerschaltung 1 wird die Ausgangsspannung Uout auf der Sekundärseite bereitgestellt.
  • Die beiden Kommunikationskanäle von denen einer als Sende-Übertragungskanal Tx_data und einer als Empfangs-Übertragungskanal Rx_data ausgebildet ist, sind jeweils so ausgebildet, dass sie eine galvanische Trennung aufweisen. Dies wird gemäß der in 7 dargestellten Ausgestaltung durch jeweils einen Transformator realisiert. Die Erfindung ist hierbei nicht auf einen Transformator als galvanische Trennung beschränkt. Genauso gut kann die galvanische Trennung auch optisch oder kapazitiv realisiert sein.
  • Ferner weisen die beiden Daten-Übertragungskanäle jeweils eine Modulatoreinheit und eine Demodulatoreinheit auf, die durch die galvanische Trennung voneinander getrennt sind. Auf der Primärseite wird ein für die Datenkommunikation notwendiger Referenztakt durch die DC / DC Wandlerschaltung bereitgestellt: Hierzu ist das Kommunikationssystem derartig ausgestaltet, dass der Referenztakt primärseitig nach dem Push-Pull-Treiber abgegriffen wird und zu der Modulatoreinheit des Sende-Übertragungskanals bzw. zu der Demodulatoreinheit des Empfangs-Übertragungskanals geführt ist. Sekundärseitig wird der Referenztakt durch einen Abgriff an dem Ausgang des Transformators 30 realisiert und zu der Demodulatoreinheit des Sende-Übertragungskanals und zu der Modulatoreinheit des Empfangs-Übertragungskanals geführt. Sekundärseitig kann vorzugsweise ferner eine Phasenshifteinheit 90 zum Verschieben der Phase des Referenztaktes um 90° vorgesehen sein, welche zwischen den Abgriff an der Sekundärseite des Transformators und der Demodulatoreinheit bzw. der Modulatoreinheit angeordnet ist, sodass primärseitig mit dem Referenztakt moduliert und sekundärseitig mit einem um 90° phasenverschobenen Referenztakt demoduliert wird. Alternativ kann die Phasenshifteinheit 90 zum Verschieben der Phase auch primärseitig angeordnet sein, sodass primärseitig mit dem um 90° phasenverschobenen Referenztakt moduliert und sekundärseitig mit dem Referenztakt demoduliert wird.
  • Aus 7 wird ersichtlich, dass wenn der Referenztakt (Referenz für Modulation / Demodulation) zu klein ist, die erzielbare Datenrate gering ausfallen wird. Für eine robuste Signalübertragung ist es daher vorteilhaft, wenn mindestens die achtfache Frequenz der Datenrate als Frequenz für den Referenztrakt ref_clk verwendet wird.
  • Ferner wird aus 7 die geringe Komplexität eines derartigen bidirektionalen Kommunikationssystems 100 ersichtlich, da gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kommunikationssystem eine Übertragungskanal weniger benötigt wird oder auf die aufwändige Referenztakt Synchronisierung aus dem Datensignal zur Demodulation verzichtet werden kann. Dies liegt insbesondere an der erfindungsgemäß ausgestalteten DC / DC Wandlerschaltung, die sowohl zum galvanisch getrennten Übertragen der Ausgangsspannung zur Energieversorgung als auch zum galvanisch getrennten Bereitstellen des Referenztakes auf die Sekundärseite dient.
  • Ein derartiges Kommunikationssystem kann insbesondere in den eingangs beschriebenen Feldgeräten der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Hierzu ist in 8 ein Blockschaltbild eines solchen Feldgeräts F1 der Automatisierungstechnik und einer Empfangseinheit EE, bspw. eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) näher dargestellt. Die Kommunikation zwischen Empfangseinheit und Feldgerät erfolgt über eine 2-Leiter-Stromschleife LS. Über diese kann ein Messwert, der von dem Feldgerät F1 aufgenommen wird, als 4-20 mA Stromsignal IS an die Empfangseinheit EE übertragen werden.
  • Das Feldgerät F1 besteht im Wesentlichen aus einer Hauptelektronik HE, einem Kommunikationssystem 1 und einer Verbraucherschaltung VS, bspw. einem Sensorelektronik eines Sensormoduls zum Erfassen einer physikalischen Prozessgröße. Das Kommunikationssystem 1, ist wie zuvor beschrieben ausgebildet und sorgt für die galvanische Trennung zwischen dem primärseitigen Stromkreis und dem Verbraucherstromkreis auf der Sekundärseite. Ferner sorgt das Kommunikationssystem 1 zur Bereitstellung der Versorgungspannung für die Verbraucherschaltung VS sowie dem Referenztakt, sodass eine Kommunikation zwischen der Hauptelektronik HE und der Verbraucherschaltung VS durch das Kommunikationssystem erfolgen kann. Hierbei werden von der Sensorelektronik insbesondere Messdaten, welche die erfasste physikalische Größe repräsentieren, an die Hauptelektronik und von der Hauptelektronik vor allem Parameter an die Sensorelektronik VS über das Kommunikationssystem galvanisch getrennt übertragen. Durch die mittels des Kommunikationssystems realisierte galvanische Trennung kann das Feldgerät in einem explosionsgefährdeten Bereich, insbesondere einem Ex-ia und/oder Ex-d Bereich eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    DC / DC Wandlerschaltung
    20
    Push Pull Treiber
    30
    Transformator
    31
    Primärwicklung des Transformators
    32
    Sekundärwicklung des Transformators
    33
    Primärseite des Transformators
    34
    Sekundärseite des Transformators
    35
    Mittenanzapfung
    40
    Synchrongleichrichter
    41-44
    Feldeffekttransistoren
    45
    Steuerleitung
    46
    Steuerleitung
    50
    Modulatoreinheit
    60
    Zweite galvanische Trennung
    70
    Dritte galvanische Trennung
    80
    Demodulationseinheit
    90
    Phasenshifteinheit
    100
    Kommunikationssystem
    Lr
    Induktivität
    Cr0
    Kapazität
    Lo
    sekundärseitig angeordnete Entkopplungsinduktivität
    Uout
    Ausgangsspannung
    ref_clk
    Referenztakt
    Ubr
    Transformator-Ausgangsspannung
    UTr1
    Spannung auf der Sekundärseite des Transistors am Wicklungsanfang
    UTr2
    Spannung auf der Sekundärseite des Transistors am Wicklungsende
    HE
    Hauptelektronik
    F
    Feldgerät
    EE
    Empfangseinheit, z.B. SPS
    VS
    Verbraucherschaltung, z.B. Sensor- oder Aktormodul
    LS
    2-Leiter_Stromschleife
    IS
    Stromsignal (4 - 20 mA)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 60079-1 [0007]
    • IN 60079-11 [0007]

Claims (16)

  1. DC / DC Wandlerschaltung zur phasenmodulierten, insbesondere bidirektionalen Kommunikation, aufweisend: - einen Push-Pull Treiber (2) an den eingangsseitig ein Referenztakt (ref_clk) mit einer fest vorgegeben Frequenz anlegbar ist; - einen Transformator (3) mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung (31, 32), wobei der Push-Pull Treiber (2) ausgangsseitig mit der Primärwicklung (31) verbunden ist; - einen Synchrongleichrichter (4), der AC-seitig, vorzugsweise nur mit der Sekundärwicklung verbunden ist; - einen Resonanzkreis (Cr0, Lr) umfassend zumindest eine Kapazität (Cr0) und eine Induktivität (Lr), wobei der Resonanzkreis (Cr0, Lr) derartig ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des Resonanzkreises (Lr) auf einer Primärseite (33) des Transformators (30) und ein anderer Teil (Cro) des Resonanzkreises auf einer Sekundärseite (34) des Transformators (30) ausgebildet ist; - einer auf einer Sekundärseite (33) des Transformators (30) dem Synchrongleichrichter (40) nachgeschalteten Entkopplungsinduktivität (L0), welche nicht Teil des Resonanzkreises ist; und - eine in Serie zu der Entkopplungsinduktivität (Lo) geschaltet Ausgangskapazität (Cout) über die eine Ausgangsspannung (Uout) bereitgestellt wird.
  2. DC / DC Wandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei der auf der Sekundärseite (32) des Transformators (30) ausgebildete Teil des Resonanzkreises (Cr0, Lr) DC-seitig mit dem Synchrongleichrichter (40) verbunden ist.
  3. DC / DC Wandlerschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Synchrongleichrichter (40) vier gesteuerte Feldeffekttransistoren (41-45) umfasst und die Feldeffekttransistoren (41-45) über Steuerleitungen (46, 47) mit der Sekundärwicklung (32) des Transformators (30) direkt verbunden sind, sodass eine Transformator-Ausgangsspannung (Ubr) die Feldeffekttransistoren (41-45) ansteuert.
  4. DC / DC Wandlerschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Synchrongleichrichter (40) in einer positiven Hälfte aus P-Kanal MOSFETs (42, 43) und in einer negativen Hälfte aus N-Kanal MOSFETs (44, 45) ausgebildet ist.
  5. DC / DC Wandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei der auf der Sekundärseite (34) des Transformators (30) ausgebildete Teil des Resonanzkreises (Cr0, Lr) AC-seitig mit dem Synchrongleichrichter (40) verbunden ist.
  6. DC / DC Wandlerschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Synchrongleichrichter (40) zwei gesteuerte Feldeffekttransistoren (42, 44) umfasst, und die Feldeffekttransistoren (42, 44) über Steuerleitungen (46, 47) mit der Sekundärwicklung (32) des Transformators (30) direkt verbunden sind, sodass eine Transformator-Ausgangsspannung (Ubr) die Feldeffekttransistoren ansteuert.
  7. DC / DC Wandlerschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ausgangsspannung (Uout) zwischen der Entkopplungsinduktivität (Lo) und einer Mittenanzapfung (35) der Sekundärwicklung (32) des Transformators (30) abgegriffen wird.
  8. DC / DC Wandlerschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldeffekttransistoren (41-44) derartig mit der Sekundärwicklung (32) des Transformators (30) verbunden sind, dass jeweils ein Drainanschluss an einen Wicklungsanfang und jeweils ein Gateanschluss der Feldeffekttransistoren (41-44) an ein Wicklungsende der Sekundärwicklung (32) oder dass jeweils ein Drainanschluss an ein Wicklungsende und jeweils ein Gateanschluss an ein Wicklungsanfang der Sekundärwicklung (32) angeschlossen ist.
  9. DC / DC Wandlerschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wicklungsverhältnis des Transformators (30) der DC / DC Wandlerschaltung (1) so gewählt ist, dass die sekundärseitige Transformator-Ausgangsspannung (Ubr) kleiner 20 V ist.
  10. DC / DC Wandlerschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Primärseite (33) des Transformators eine Eingangskapazität (UCDC) zur DC Unterdrückung vorhanden ist, wobei die DC / DC Wandlerschaltung (1) so ausgebildet ist, dass die Eingangskapazität (UCDC) nicht Teil des Resonanzkreises (Cr0, Lr) ist.
  11. Verfahren zum Betreiben einer DC / DC Wandlerschaltung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Betreiben der DC / DC Wandlerschaltung (1) an den Push-Pull Treiber (2) eingangsseitig ein Referenztakt (ref_clk) mit einer fest vorgegeben und während des Betriebs nicht veränderten Frequenz angelegt wird.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Frequenz größer als 100 kHz ist, besonders bevorzugt bei ca. 450 kHz liegt.
  13. Kommunikationssystem zur bidirektionalen galvanisch getrennten Kommunikation umfassend: - eine DC / DC Wandlerschaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die DC / DC Wandlerschaltung (1) durch den Transformator (30) eine erste galvanische Trennung aufweist und die Ausgangspannung (Uout) zur Energieversorgung auf der Sekundärseite des Transformators (30) bereitstellt; - einen Sende-Übertragungskanal (Tx_data) mit einer ersten Modulatoreinheit (50), die über eine zweite galvanische Trennung (60) datenleitend mit einer ersten Demodulatoreinheit (80) verbunden ist; - einen Empfangs-Übertragungskanal (Rx_dat) mit einer zweiten Demodulatoreinheit (80), die über eine dritte galvanische Trennung (70) mit einer zweiten Modulatoreinheit (50) verbunden ist; wobei die DC / DC Wandlerschaltung (1) ferner primärseitig und sekundärseitig für die Modulationseinheiten bzw. Demodulationseinheiten zur Modulation bzw. Demodulation notwendigen Referenztakt (ref_clk, ref_clk_90deg) bereitstellt.
  14. Kommunikationssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Referenztakt (clk_ref) primärseitig durch einen Abgriff am Ausgang des Push-Pull Treibers (20) der DC / DC Wandlerschaltung (1) realisiert ist und der Referenztakt (clk_ref_90deg) sekundärseitig durch einen Abgriff an dem Ausgang des Transformators (30) der DC / DC Wandlerschaltung (1) realisiert ist.
  15. Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei sekundärseitig eine Phasenshifteinheit (90) zum Verschieben der Phase des Referenztaktes um 90° eingebracht ist.
  16. Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich, insbesondere einem Ex-ia und/oder Ex-d Bereich, aufweisend eine Hauptelektronik und eine davon galvanisch getrennte Sensorelektronik, wobei die Hauptelektronik mit der Sensorelektronik über ein Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15 datenleitend verbunden ist.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3468017A1 (de) 2017-10-06 2019-04-10 PR Electronics A/S Adaptive steuerung eines synchrongleichrichters

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4822588B2 (ja) * 2001-02-08 2011-11-24 富士通セミコンダクター株式会社 情報処理装置および情報処理デバイス
US20050156656A1 (en) * 2004-01-15 2005-07-21 Rotzoll Robert R. Non-quasistatic rectifier circuit
JP5088386B2 (ja) * 2010-01-29 2012-12-05 株式会社村田製作所 スイッチング電源装置
CN101800476A (zh) * 2010-04-01 2010-08-11 华为技术有限公司 电压变换装置、方法及供电***
US9515562B2 (en) * 2013-03-05 2016-12-06 Futurewei Technologies, Inc. LLC resonant converters
KR102181971B1 (ko) * 2013-07-11 2020-11-24 후지 덴키 가부시키가이샤 양방향 dc/dc 컨버터
EP2903146B1 (de) * 2014-02-03 2019-03-20 STMicroelectronics Srl Einphasiger oder mehrphasiger resonanzwandler mit rückkopplungssteuerung
ITUB20154179A1 (it) * 2015-10-01 2017-04-01 St Microelectronics Srl Procedimento per il pilotaggio di un convertitore risonante, relativo convertitore e prodotto informatico

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3468017A1 (de) 2017-10-06 2019-04-10 PR Electronics A/S Adaptive steuerung eines synchrongleichrichters

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DIN 60079-1
IN 60079-11

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