Designere af industrielle automatiseringssystemer står over for stigende udfordringer. Rackmontering af sådant udstyr kan føre til øget størrelse og termiske begrænsninger. I barske industrielle miljøer, hvor følsomt elektronisk udstyr kræver tæt regulerede spændinger, kræver kunderne højere ydelse og funktionalitet. I del 1 af denne todelt serie vil vi udforske de modstridende krav til industrielle strømforsyninger og de kompromiser, der er forbundet med fælles løsninger.
Indledning
Industrial Automation System Design giver unikke udfordringer. Faktisk er det en historie om modstridende krav. Introduktion af billige modulære stativer til hussystemkomponenter såsom programmerbare logiske controllere (PLC'er) og I/O-moduler placerer alvorlig plads og termiske begrænsninger for ingeniører og løsninger. Disse udfordringer forværres af behovet for at sikre meget pålidelig drift i barske miljøer, der er modtagelige for snavs, fugtighed og vibrationer.
Derudover forventer kunderne forbedret funktionalitet i efterfølgende generationer af automatiseringssystemer, alt uden at øge strømforbruget, udstyrsstørrelse, varmeproduktion og omkostninger. Sådanne forbedringer er ofte baseret på fremskridt inden for elektronik, men kommer ofte til en pris: strammere strømtolerancer og bølger i spændingsniveauer, der skal forblive stabile, mens de kommer fra mindre end perfekte strømforsyninger.
Ingeniører ønsker dog ikke at bruge værdifuld projekttid på at designe en strømforsyning, der ikke er bemærket af kunderne og ofte betragtes som spild af værdifuld plads. I stedet foretrækker ingeniøren at fokusere på ting, der tydeligt adskiller hans automatiseringssystem fra konkurrencen.
Leverandører af halvleder har reageret på de modstridende behov hos industrielle automatiseringssystemdesignere ved at introducere moduler, der integrerer mange af de vigtigste funktioner i en strømforsyning i en enkelt enhed. Moduler, der er designet til at være drevet af de 12, 24 eller 48VDC -forsyninger, der bruges af industrielle automatiseringssystemer, skal imidlertid enten beskyttes af spændingsklemmer eller bruger asynkrone switching -teknikker til at modstå spændingspidsen, der plager hovedforsyningen. Begge løsninger resulterer i større, dyrere og mindre effektive kraftsystemer - nøjagtigt hvilke systemingeniører forsøger at undgå.
Denne applikationsnotat er del 1 af vores todelt serie om industrielle kontrolregulatorer. Her diskuterer vi industrielle kontrolarkitekturer og strømforsyningsarkitekturer, der gør dem unikke, en designudfordring. I del 2 af denne serie vil vi diskutere den næste generation af strømenheder, der bruger de nyeste siliciumfremstillingsteknikker kombineret med innovative chipdesign.
Industriel kontrolarkitektur
Mens 24VDC er blevet de facto -spænding til de fleste industrielle kontrolapplikationer (især dem, der bruger PLC'er), er 12VDC også almindeligt og bruges ofte som en batteri -backup -spænding eller leveres af alternative energikilder såsom fotovoltaiske (PV) paneler. Den nylige introduktion af magt over Ethernet (POE) har også opfordret industrielle automatiseringsproducenter til at designe udstyr, der er drevet af 48VDC -forsyningen, der er specificeret i standarden. Et typisk industrielt kontrolsystem ved hjælp af en 24VDC -strømforsyning er vist i figur 1.
Figur 1. Typisk industrielt kontrolsystem.
Systemet består af I/O-moduler til modtagelse af information fra sensorer eller afsendelse af kommandoer til aktuatorer, multikanals digitale input, multi-channel analoge input og output, kommunikationsfunktioner og en processor (CPU) knyttet via en digital bus. PLC leverer typisk computerkraften. Strømmen leveres fra værktøjet, trådte ned til 24VDC og distribueres gennem bagplanet.
Et nærmere kig på systemets strømforsyning afslører større kompleksitet på grund af de forskellige spændings- og aktuelle niveauer, der kræves af de forskellige systemkomponenter. Figur 2 viser en lille del af magtarkitekturen. 120VAC/230VAC hovedstrømforsyning trådes oprindeligt ned til et standard 12VDC eller 24VDC -system bagplan strømforsyning ved hjælp af et industrielt strømmodul. På systemniveau trak denne bagplanspænding yderligere ned til de lavere spændingsniveauer, der kræves af de individuelle komponenter.
Figur 2. En del af strømarkitekturen i et industrielt automatiseringssystem.
For eksempel kan en PLC bestå af en mikroprocessor, digital signalprocessor (DSP) og feltprogrammerbar portarray (FPGA). Disse enheder kræver et spændingsområde på 5V til 1V. Imidlertid kan hele PLC kræve op til 3,5A strøm. Tilsvarende kræver multi-kanals analoge I/O-moduler ± 15V og 5V forsyninger til forskellige forstærkere, analoge-til-digitale konvertere (ADC'er) og multiplexere (MUX'er) med strømme op til 500 mA.
For at komplicere sager er designere nødt til at overveje forbigående spændingsspidser ("overspændinger"), der påvirker strømforsyninger gennem begivenheder som lynnedslag på distributionsnetværket eller ved hurtigt at skifte tunge belastninger, der deler de samme strømkredsløb som det industrielle automatiseringssystem. Spændingsspidser kan også forekomme i selve strømforsyningsarkitekturen, for eksempel når et strømforsyningsmodul trækker ned forsyningsspændingen til 12VDC eller 24VDC, især når du bruger enheder af switch-mode type.
Disse overspændingsbegivenheder er så almindelige, at organisationer som International Electrochemical Commission (IEC) anbefaler, at ingeniører designer deres systemer til at modstå dem. F.eks At modstå overspændinger på op til 60V.
DC-DC Voltage Regulation Basics
DC-DC-spændingskonvertering (eller "regulering") er big business, og leverandører af halvleder har investeret meget i at udvikle en lang række produkter til alle applikationer. Enheder er opdelt i to grupper: lave frafaldsregulatorer (LDO'er), også kendt som lineære regulatorer; og skiftende regulatorer.
Når der omhyggeligt matches med driftsegenskaberne for applikationen, er skiftende regulatorer typisk mere effektive over et bredt indgangsspændingsområde sammenlignet med LDO'er. Derudover kan skifte regulatorer let intensivere ("boost"), træde ned ("buck") og invert spændinger. (Bemærk, at nogle dele af industrielle automatiseringssystemets strømforsyninger kræver inverteringsspændinger. I modsætning hertil kan LDO'er kun nedbryde spændinger.
Skift af regulatorer har en ulempe over brugervenlige LDO'er: design af regulatoren er mere kompliceret. Dette skyldes, at outputfiltrering er påkrævet for at dæmpe spændingen og de aktuelle krusninger genereret af højfrekvente skifteoperationer. Dette medfører problemer for følsomme chips og genererer elektromagnetisk interferens (EMI). På trods af dette favoriserer ingeniører, der designer mange moderne applikationer, i stigende grad skiftende regulatorer.
Nøglen til driften af skiftende regulatorer er brugen af metaloxid -halvlederfelteffekttransistorer (MOSFETs) som skifteanordninger. Når MOSFET er tændt, flyder strøm både til belastningen og til en ekstern induktor, der opbevarer energien. Når MOSFET slukker, leverer induktoren sin lagrede energi til belastningen.
Pulsbreddemodulering (PWM) bruges typisk til at kontrollere udgangsspændingen. Frekvensen holdes konstant, og pulsbredden ("til tiden") justeres for at give den ønskede spænding. Højfrekvente switching af regulatoren begrænser tab i systemet, samtidig med at man opretholder en relativt stabil spændingsudgang over en række input og belastninger.
I en asynkron topologiske skiftende regulator (figur 3) flyder den energi, der er gemt i induktoren, og overføres derefter til belastningen under MOSFET -cyklussen ikke direkte til belastningen. I stedet forplantes det gennem en ekstern Schottky -diode. Hvis induktoren er valgt baseret på den forventede belastning, fungerer skiftregulatoren i kontinuerlig ledningstilstand og giver således en stabil reguleret spænding.
Figur 3. Asynkron Buck Regulator Circuit.
Den ultimative effektivitet af disse skiftende regulatorer bestemmes af to hovedfaktorer: den fremadrettede spændingsfald af den eksterne Schottky -diode og den omvendte lækagestrømkarakteristika for enheden. I moderne enheder nærmer den forreste spændingsfald sig til en grænse på ca. 0. 3v. Dette lyder ikke som meget, men det fører til konstant enhedsforbrug og reduceret effektivitet.
Udskiftning af Schottky-dioden med en MOSFET forbedrer effektiviteten, fordi transistorens on-resistens (på R) kan sænkes ved hjælp af avancerede fremstillingsteknikker for at holde fremadspændingen (og tab) lavere end den originale diode. Betjeningen af de to MOSFET'er i dette kredsløb skal synkroniseres, så den ene udføres, og den anden slukker.
Figur 4. Synkron Buck Regulator Circuit.
Den anden MOSFET af den såkaldte synkrone regulator kan integreres i modulet. Ud over at fjerne den eksterne Schottky -diode forenkler dettekredsløbsdesignetog reducerer materialernes regning (BOM).
En bivirkning af det synkrone regulatordesign er, at på grund af skiftefunktionen af de to MOSFET'er (dvs. fordobling af induktive tab), strømmer strøm i begge retninger i induktoren. Dette sammenlignes med den ensrettede strømning i den asynkrone type. I synkrone regulatorer er tabene normalt små, men bliver større ved lavere belastninger, når enhedseffektiviteten kan være lavere end den ækvivalente asynkrone type.
Større halvlederleverandører har behandlet denne mangel ved hjælp af en række teknikker. For eksempel,MaximIntegrerethar introduceret en række afHøjspændingSynkrone regulatorer, såsom MAX17503, med en tilstandsfunktion, der kan bruges til at betjene enheden i tre valgbare driftsmetoder: PWM, Pulse-frekvensmodulation (PFM) og diskontinuerlig ledningstilstand (DCM). DCM eliminerer også omvendt induktorstrøm for at forbedre effektiviteten ved lavere belastninger, men springer ikke over pulser. Dette gør DCM velegnet til frekvensfølsomme applikationer.
Oversigt
Højspænding, høje output-strøm-synkrone regulatorer imødekommer behovene i industriel automatisering for kompakte, effektive og let at designe strømmoduler. Flere faktorer har bidraget til det industrielle magtdilemma, men højspændingssynkron regulatorarkitekturer, der imødekommer alle behov, er nu tilgængelige. Mens det aktuelle valg af passende komponenter er begrænset, fortsætter rækkevidden med at udvide til at imødekomme alle DC-DC-spændingskonverteringskrav i et typisk system med effektudgange, der spænder fra et par hundrede milliamper til flere ampere. I del 2 vil vi diskutere, hvordan nye innovationer i synkrone regulatorer hjælper med at løse strømforbrugsudfordringen.