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ATEX und das Power Management intelligenter Gaszähler
Zuverlässigkeit und Funktionalität von Smart Metern haben sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Um sie auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzen zu können, ist eine besonders sichere und stromsparende Elektronik notwendig.
Die Tatsache, dass der Stromverbrauch intelligenter Verbrauchsmesser möglichst gering sein muss, stellt eine Herausforderung für die Elektronik-Zulieferer dar. Zum Beispiel wird von Gaszählern verlangt, dass sie zehn Jahre mit einer Batterie auskommen. Außerdem erwartet man von Smart Metern, dass sie auch bei extremen Umgebungs- und Wetterbedingungen zuverlässig funktionieren. Da Gaszähler in einem explosionsgefährdeten Bereich arbeiten, müssen nicht zuletzt Vorkehrungen für einen sicheren Betrieb getroffen werden.
Die Bezeichnung ATEX ist von der französischen Bezeichnung ATmosphères EXplosibles abgeleitet und bezieht sich auf die EU-Direktive 2014/34/EU. Diese regelt den Explosionsschutz für Branchen, in denen explosionsgefährdete Bereiche vorkommen. In diesem Artikel werde ich erläutern, wie der Abwärtswandler TPS62840 im DGR-Gehäuse [1] jenen Teams, die mit dem Design von Systemen und Equipment befasst sind, bei der Einhaltung nicht nur der ATEX-Direktive, sondern auch der Anforderungen an die Batterielebensdauer helfen kann.
Die ATEX-Zertifizierung
ATEX ist eine Standardisierungs-Direktive der Europäischen Union für „Geräte und Schutzsysteme, die für den Einsatz in potenziell explosionsgefährdeten Atmosphären vorgesehen sind“ [2]. Explosionsgefahr kann bestehen, wenn sich ein Gemisch aus Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben und Luft ansammelt. Die ATEX-Zertifizierung zielt darauf ab, die Zündgefahr in solchen Atmosphären zu minimieren oder ganz zu beseitigen und etwaige schädliche Auswirkungen im Fall einer Explosion einzugrenzen.
Explosionsgefährdete Atmosphären kommen in den verschiedensten Branchen vor. Zum Beispiel besteht in der chemischen Industrie das Risiko, dass explosive Mischungen aus brennbaren Gasen und Flüssigkeiten entstehen. Gaslieferanten arbeiten prinzipbedingt in einem potenziell explosionsgefährdeten Bereich, weil Gas brennbar ist, doch auch holzverarbeitende Unternehmen, Abfallbehandlungs-Firmen, Energieerzeugungs-Unternehmen und Raffinerien sind ganz oder teilweise in Bereichen tätig, in denen Explosionsgefahr besteht. In diesen Branchen wird mit zahlreichen elektrischen und mechanischen Anlagen gearbeitet, deren Betriebssicherheit in solchen Umgebungen stets Anlass zu Bedenken gibt.
Die ATEX-Richtlinie sieht eine Einteilung in verschiedene Gerätegruppen und Kategorien vor – abhängig von der Umgebung, der Art der explosionsgefährdeten Atmosphäre und der Häufigkeit ihres Auftretens. Tabelle 1 enthält eine Aufstellung der Klassifizierung explosionsgefährdeter Atmosphären, die durch Mischungen von Luft mit Gasen, Dämpfen oder Nebeln entstehen. Gaszähler für Privatkunden fallen normalerweise in Kategorie 3, Zone 2 (die unterste Zeile der Tabelle).
Auch wenn die ATEX-Direktive europäischen Ursprungs und nicht mit entsprechenden US-amerikanischen, kanadischen oder asiatischen Normen harmonisiert ist, gleichen sich die verschiedenen Standards doch in vielen Aspekten. Sehen wir uns einmal die Eigensicherheits-Anforderungen der ATEX-Direktive für Power Management-ICs in Gaszählern für Privatkunden an und untersuchen, was beim Design eines IC für diese Anwendung zu beachten ist.
Wie können Power-Designer die ATEX-Zertifizierung in Gaszählern für Privatkunden erreichen?
Um die Explosionsgefahr zu verringern, betrachtet die ATEX-Norm Zündquellen als den wichtigsten Faktor. Im Fall von Power-Management-ICs gibt es normalerweise folgende Zündquellen:
• Elektrische Funken: Das Risiko eines Funkens als Zündquelle hängt von seinem Gehalt an elektrischer Energie ab.
• Hohe Oberflächentemperaturen.
• Elektrostatische Entladungen, die elektrische Funken und eine plötzliche Temperaturzunahme bewirken. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines dieser drei Ereignisse muss zur Gewährleistung der Sicherheit begrenzt oder ganz eliminiert werden. Der wichtigste Faktor bei der Kontrolle von Zündquellen ist die Wahl des IC-Gehäuses für ein ATEX-konformes Bauelement. Zu den Parametern, die solche Zündrisiken verringern, gehören allgemein die Fähigkeit des IC-Gehäuses zum Abführen der Verlustleistung und die Anordnung seiner elektrischen Anschlüsse.
Die Entwärmungsfähigkeit von Gehäusen
Bei der Entwicklung elektronischer Bauelemente ging der Trend stets zu immer kleineren, höher integrierten und kompakteren Designs. Diese kleineren Gehäuse stellen allerdings insbesondere bei großen Verlustleistungen eine Herausforderung dar, was die Entwärmung betrifft. Während das QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) und das Wafer Chip-Scale Package (WCSP) eher für Anwendungen geeignet sind, in denen es auf kleine Lösungsabmessungen ankommt, bieten größere Gehäuse überlegene thermische Eigenschaften und sorgen dafür, dass die Bauteiltemperaturen auch bei großen Verlustleistungen relativ gering bleiben.
Das High Thermal Performance Very-Thin Shrink Small-Outline Package (HVSSOP) ist ein thermisch optimiertes Gehäuse mit einem herausgeführten Pad, das direkt an die Leiterplatte gelötet wird. Dieses Pad verbessert die Entwärmungsfähigkeit gegenüber standardmäßigen SSOP-Gehäusen (Shrink Small-Outline Packages) um den Faktor 1,5 und senkt die Betriebstemperatur des betreffenden Bauelements entsprechend.
Eine geringere Eigenerwärmung wiederum erlaubt den Einsatz in einem größeren Bereich von Umgebungstemperaturen. Bild 2 verdeutlicht, wie ein HVSSOP-Bauelement etwa 80 % seiner Verlustwärme über das exponierte Pad abführt, unterstützt durch die darunter befindlichen Thermal Vias. Die übrige Wärme wird hauptsächlich über die elektrischen Anschlüsse an die Umgebung abgeleitet [3].
1. TPS62840 1.8-V to 6.5-V, 750-mA, 60-nA IQ Step-Down Converter. Texas Instruments Datenblatt, August 2019.
2. ATEX–European Directive 2014/34/EU.
3. Steven Kummerl: „PowerPAD™ Thermally Enhanced Package“ Texas Instruments Application Report SLMA002H, Juli 2018.
- ATEX und das Power Management intelligenter Gaszähler
- Anordnung der elektrischen Anschlüsse
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