Designere af industrielle automationssystemer står over for et stigende antal udfordringer. Montering af sådant udstyr i stativer fører til øget størrelse og termiske begrænsninger. I barske industrielle miljøer kræver følsomt elektronisk udstyr strengt regulerede spændinger, og kunderne kræver højere ydeevne og funktionalitet. I del 1 af denne to-delserie vil vi undersøge de modstridende krav til industrielle strømforsyninger og afvejningen- forbundet med almindelige løsninger.
Indledning
Industrielt automatiseringssystem design giver unikke udfordringer. Faktisk er det en historie om modstridende krav. Introduktionen af billige modulære racks til at rumme systemkomponenter såsom programmerbare logiske controllere (PLC'er) og I/O-moduler har pålagt ingeniører og løsninger alvorlige plads- og termiske begrænsninger. Disse udfordringer kompliceres yderligere af behovet for at sikre yderst pålidelig drift i barske miljøer, der er modtagelige for snavs, fugt og vibrationer.
Derudover forventer kunderne forbedret funktionalitet i efterfølgende generationer af automationssystemer, alt sammen uden at øge strømforbruget, enhedsstørrelsen, varmeproduktionen eller omkostningerne. En sådan forbedret funktionalitet er ofte baseret på fremskridt inden for elektronisk teknologi, men det har ofte en pris: strengere effekttolerancer og stigninger i spændingsniveauer, der skal forblive stabile på trods af ufuldkomne strømkilder.
Ingeniører ønsker dog ikke at bruge værdifuld projekttid på at designe en strømforsyning, som ikke bliver bemærket af kunderne og ofte betragtes som spild af værdifuld plads. I stedet foretrækker ingeniører at fokusere på funktioner, der klart adskiller deres automatiseringssystemer fra konkurrenterne.
Halvlederleverandører har reageret på de modstridende krav fra designere af industrielle automatiseringssystem ved at introducere moduler, der integrerer mange vigtige strømforsyningsfunktioner i en enkelt enhed. Moduler, der er designet til at blive drevet af 12, 24 eller 48VDC strømforsyninger, der bruges i industrielle automationssystemer, skal beskyttes af spændingsklemmer eller bruge asynkron switching-teknologi for at modstå spændingsspidser, der plager hovedstrømforsyningen. Begge løsninger resulterer i større, dyrere og mindre effektive strømsystemer-præcis hvad systemingeniører forsøger at undgå.
Denne ansøgningsnote er del 1 af vores to-delserier om industrielle kontrolregulatorer. Her diskuterer vi industrielle kontrolarkitekturer og deres unikke strømforsyningsarkitekturer, som giver designmæssige udfordringer. I del 2 af denne serie vil vi diskutere den næste generation af power-enheder, der udnytter de nyeste siliciumfremstillingsteknologier kombineret med innovative chipdesigns.
Industriel kontrolarkitektur
Mens 24VDC er blevet de facto-spændingen for de fleste industrielle kontrolapplikationer (især dem, der bruger PLC'er), er 12VDC også almindelig, typisk som en backup-batterispænding eller leveret af alternative energikilder såsom fotovoltaiske (PV) paneler. Den nylige introduktion af Power over Ethernet (PoE) har også tilskyndet industriautomationsproducenter til at designe enheder, der drives af 48VDC-strømforsyningen specificeret af denne standard. Et typisk industrielt kontrolsystem, der bruger en 24VDC strømforsyning, er vist i figur 1.
Figur 1. Typisk industrielt styresystem.
Systemet inkluderer I/O-moduler til at modtage information fra sensorer eller sende kommandoer til aktuatorer, multi-kanals digitale input, multi-kanals analoge input og output, kommunikationsfunktioner og en processor (CPU) forbundet via en digital bus. PLC'er leverer typisk computerkraft. Strømmen leveres af netstrøm, trappes ned til 24VDC og fordeles via et bagpanel.
Ved nærmere undersøgelse af systemets strømforsyning bliver det tydeligt, at kompleksiteten øges på grund af de varierende spændings- og strømniveauer, der kræves af forskellige systemkomponenter. Figur 2 illustrerer en lille del af strømforsyningsarkitekturen. 120VAC/230VAC hovedstrømforsyningen trappes indledningsvis ned ved hjælp af industrielle strømmoduler til standard 12VDC eller 24VDC system bagplan strømforsyninger. På systemniveau trappes denne backplane-spænding yderligere ned til de lavere spændingsniveauer, der kræves af individuelle komponenter.
Figur 2. En del af strømforsyningsarkitekturen for et industrielt automationssystem
For eksempel kan en PLC bestå af en mikroprocessor, en digital signalprocessor (DSP) og en field-programmable gate array (FPGA). Disse enheder kræver et spændingsområde på 5V til 1V. Hele PLC'en kan dog kræve op til 3,5A strøm. Tilsvarende kræver multi-analoge I/O-moduler ±15V og 5V strømforsyninger til forskellige forstærkere, analog-til-digitalkonvertere (ADC'er) og multipleksere (MUX'er) med strømme op til 500mA.
For at komplicere sagerne yderligere skal designere overveje transiente spændingsspidser ("overspændinger"), som kan påvirke strømforsyningen gennem hændelser som lynnedslag på strømdistributionsnettet eller gennem hurtig omskiftning af tunge belastninger, der deler det samme strømkredsløb med industrielle automationssystemer. Spændingsspidser kan også forekomme inden for selve strømforsyningsarkitekturen, f.eks. når strømforsyningsmoduler nedsætter strømforsyningsspændingen til 12VDC eller 24VDC, især når du bruger enheder af switch--tilstandstype.
Disse overspændingshændelser er så almindelige, at organisationer såsom International Electrotechnical Commission (IEC) anbefaler, at ingeniører designer deres systemer til at modstå dem. For eksempel adresserer IEC 60664 isolationskoordinering i lav-spændingssystemer (1kVAC og 1,5kVDC) og angiver, at "Klasse II"-udstyr (inklusive typer, der anvendes i industriel automation), drevet af 24VDC afledt af lysnettet, skal være designet til at modstå overspændinger op til 60V.
DC-Grundlæggende om DC-spændingsregulering
DC-DC-spændingskonvertering (eller "regulering") er stor forretning, og halvlederleverandører har investeret massivt i at udvikle en bred vifte af produkter til alle applikationer. Enheder er opdelt i to grupper: lav-frafaldsregulatorer (LDO'er), også kendt som lineære regulatorer; og skiftende regulatorer.
Når de omhyggeligt afstemmes med applikationens driftsegenskaber, tilbyder switching-regulatorer typisk højere effektivitet over et bredt indgangsspændingsområde sammenlignet med LDO'er. Derudover kan skifteregulatorer nemt booste ("trin-op"), buck ("trin-ned") og invertere spændinger. (Bemærk, at visse dele af strømforsyninger til industrielle automatiseringssystemer kræver inverterede spændinger. I modsætning hertil kan LDO'er kun spænde.)
Sammenlignet med den enkle og brugervenlige-LDO har skifteregulatorer én ulempe: deres design er mere komplekst. Dette skyldes, at outputfiltrering er påkrævet for at dæmpe spænding og strømrippel genereret af højfrekvente omskiftningsoperationer. Dette kan forårsage problemer for følsomme chips og generere elektromagnetisk interferens (EMI). På trods af dette foretrækker ingeniører, der designer mange moderne applikationer, i stigende grad skiftende regulatorer.
Nøglen til, hvordan switching-regulatorer fungerer, er brugen af metal-oxid-halvlederfelt-effekttransistorer (MOSFET'er) som switch-enheder. Når MOSFET er tændt, strømmer der strøm til både belastningen og en ekstern induktor, der lagrer energi. Når MOSFET'en er slukket, leverer induktoren den lagrede energi til belastningen.
Pulsbreddemodulation (PWM) bruges typisk til at styre udgangsspændingen. Frekvensen forbliver konstant, mens pulsbredden ("til--tiden") justeres for at give den ønskede spænding. Den høje-omskiftning af regulatoren minimerer tab i systemet, samtidig med at den opretholder en relativt stabil spændingsoutput på tværs af en række input- og belastningsforhold.
I en asynkron topologi-omskiftningsregulator (figur 3) strømmer energien, der er lagret i induktoren og derefter overført til belastningen under MOSFET-off-cyklussen, ikke direkte til belastningen. I stedet forplantes den gennem en ekstern Schottky-diode. Hvis induktoren vælges i henhold til den forventede belastning, vil omskiftningsregulatoren fungere i kontinuerlig ledningstilstand, hvilket giver stabil regulering.
Figur 3. Asynkron buck-regulatorkredsløb.
Den ultimative effektivitet af denne type koblingsregulator bestemmes primært af to faktorer: det fremadgående spændingsfald af den eksterne Schottky-diode og enhedens omvendte lækstrømskarakteristika. I moderne enheder nærmer det fremadgående spændingsfald grænsen på cirka 0,3V. Det virker måske ikke af meget, men det resulterer i kontinuerligt strømforbrug og reduceret effektivitet.
Udskiftning af Schottky-dioder med MOSFET'er forbedrer effektiviteten, fordi transistorernes on-modstand (Ron) kan reduceres ved hjælp af avancerede fremstillingsteknikker, hvilket resulterer i lavere fremadspænding (og tab) end de originale dioder. De to MOSFET'er i dette kredsløb skal fungere synkront, hvor den ene leder og den anden blokerer. (Se figur 4.)
Figur 4. Synkront buck-regulatorkredsløb.
Den anden MOSFET af den såkaldte-synkrone regulator kan integreres i modulet. Ud over at eliminere behovet for en ekstern Schottky-diode, forenkler dette kredsløbsdesign og reducerer styklisten (BOM).
En bivirkning af synkron regulatordesign er, at strømmen flyder tovejs i induktoren på grund af koblingsoperationen af de to MOSFET'er (dvs. fordoblede induktortab). Dette står i kontrast til det ensrettede flow i asynkrone typer. I synkrone regulatorer er tabene typisk små, men ved lavere belastninger kan enhedens effektivitet være lavere end tilsvarende asynkrone typer, hvilket resulterer i større tab.
Store halvlederleverandører har løst denne ulempe ved hjælp af forskellige teknologier. For eksempel har Maxim Integrated introduceret en række synkrone-højspændingsregulatorer, såsom MAX17503, med en MODE-funktion, der gør det muligt for enheden at fungere i tre valgbare tilstande: PWM, pulsfrekvensmodulation (PFM) og diskontinuerlig ledningstilstand (DCM). PWM bruges til normal drift. PFM forbedrer effektiviteten ved lavere belastninger ved at eliminere omvendt induktansstrøm og overspringsimpulser. DCM eliminerer også omvendt induktansstrøm for at forbedre effektiviteten ved lavere belastninger, men springer ikke impulser over. Dette gør DCM velegnet til frekvens-følsomme applikationer.
Oversigt
Synkrone regulatorer med høj-høj-udgangsstrøm imødekommer efterspørgslen efter kompakte, effektive og let-at-at designe strømmoduler i industriel automation. Flere faktorer har bidraget til den industrielle strømforsyningsudfordring, men en højspændingssynkron regulatorarkitektur er nu tilgængelig for at imødekomme alle krav. Selvom det nuværende udvalg af passende komponenter er begrænset, udvides rækkevidden fortsat for at opfylde alle DC-DC-spændingskonverteringskrav for typiske systemer, med udgangseffekter fra hundredvis af milliampere til flere ampere. I del 2 vil vi diskutere, hvordan nye innovationer inden for synkrone regulatorer kan hjælpe med at løse udfordringer med strømforbruget