Εισαγωγή
Τα συστήματα βιομηχανικού αυτοματισμού υφίστανται μια επανάσταση για τη μείωση της καθυστέρησης και του χρόνου διακοπής λειτουργίας. Αυτή η προσπάθεια, γνωστή ως Industry 4.0, θα ενσωματώσει μεγαλύτερη ευφυΐα σε όλα τα εργοστάσια-από τα πάνελ και τους ελεγκτές HMI έως τις μονάδες επικοινωνίας, τους ενεργοποιητές και τους αισθητήρες.
Αυτή η επανάσταση είναι παράλληλη με την επανάσταση της δικτύωσης, όπου η ευφυΐα επεκτάθηκε από τους βασικούς δρομολογητές στα δίκτυα του μετρό, στην άκρη και μέχρι το τελευταίο μίλι. Με τη διανομή της νοημοσύνης επεξεργασίας στην άκρη (μέσω αισθητήρων και μονάδων επικοινωνίας), οι καθημερινές αποφάσεις μπορούν να ληφθούν πιο γρήγορα χωρίς τη συμμετοχή του κύριου επεξεργαστή (που βρίσκεται στο PLC). Αυτή η πρόσθετη ευφυΐα πρέπει να λειτουργεί εντός του ίδιου ή μειωμένου χώρου στο πάτωμα του εργοστασίου, απαιτώντας αυξημένη λειτουργικότητα σε μικρότερους παράγοντες.
Αυτή η μείωση των διαστάσεων PCB υπογραμμίζει τις προκλήσεις της θερμικής διαχείρισης. Επιλογές όπως ψύκτρες αποκλείονται λόγω περιορισμών χώρου στην πλακέτα premium. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεμιστήρες εξαναγκασμένου-αέρα, καθώς τα σφραγισμένα περιβλήματα εμποδίζουν την είσοδο σκόνης και ρύπων. Κατά συνέπεια, οι λύσεις τροφοδοσίας πρέπει να είναι εξαιρετικά αποδοτικές, ενώ παρέχουν υψηλότερη ισχύ και καταλαμβάνουν μικρότερο αποτύπωμα. Σε αυτήν τη σχεδιαστική λύση τροφοδοτικού, θα αντιμετωπίσουμε αυτές τις απαιτήσεις ενώ θα εξετάσουμε τις διαθέσιμες επιλογές για τροφοδοτικά 20W-30W, θα συγκρίνουμε την απόδοση και θα προσδιορίσουμε τη βέλτιστη λύση.
Αντιμετώπιση της κατανάλωσης ενέργειας
Οι βιομηχανικές εφαρμογές διαθέτουν ονομαστική τάση διαύλου συνεχούς ρεύματος 24 V, που βασίζεται σε παλαιού τύπου αναλογικά ρελέ και παραμένει το de facto βιομηχανικό πρότυπο. Ωστόσο, για μη{2}}μη κρίσιμο εξοπλισμό, η μέγιστη τάση λειτουργίας σε βιομηχανικές εφαρμογές αναμένεται να είναι 36V-40V. Οι κρίσιμες συσκευές, όπως ελεγκτές, ενεργοποιητές και μονάδες ασφαλείας, πρέπει να υποστηρίζουν 60V (πρότυπα IEC61131-2, 60664-1 και 61508 SIL). Οι συνήθεις τάσεις εξόδου είναι 3,3 V και 5 V, με ρεύματα που κυμαίνονται από 10 mA σε μικρούς αισθητήρες έως δεκάδες αμπέρ σε εφαρμογές ελέγχου κίνησης, CNC και PLC. Η προφανής επιλογή είναι επομένως σαφής.
Εφαρμογές ελέγχου: Ρυθμιστής τάσης Buck (Step-Κάτω).
Πίνακας HMI: Πίνακας οθόνης διεπαφής ανθρώπου-μηχανής, που συνήθως ενσωματώνει κουμπιά ελέγχου μονάδας, Προγραμματιζόμενους Λογικούς Ελεγκτές (PLC), Συστήματα Κατανεμημένου Ελέγχου (DCS), Αριθμητικό Έλεγχο Υπολογιστή (CNC)
Ενότητες επικοινωνίας: Ψηφιακές και αναλογικές μονάδες I/O που χρησιμοποιούν πρότυπα όπως σειριακές γραμμές, ελεγκτές, DeviceNet, Profibus, SercosIII, I/O Link, Ethernet κ.λπ.
Ενεργοποιητές: Κινητήρες, ηλεκτροκινητήρες, έλεγχος κίνησης, ρομποτική Αισθητήρες: Αισθητήρες πίεσης, θερμοκρασίας, εγγύτητας, οπτικοί και διάφοροι άλλοι αισθητήρες.
Η πιο κοινή αρχιτεκτονική buck είναι ο ασύγχρονος μετατροπέας buck, καθώς οι κατασκευαστές ημιαγωγών θεωρούν εύκολο να σχεδιάσουν ασύγχρονους ρυθμιστές buck για εφαρμογές υψηλής-τάσης. Σε αυτήν τη διαμόρφωση, η δίοδος ανορθωτή χαμηλής-πλευρικής πλευράς είναι εξωτερική στο ολοκληρωμένο κύκλωμα.
Για είσοδο 24V και έξοδο 5V, ο μετατροπέας buck λειτουργεί με κύκλο λειτουργίας περίπου 20%. Αυτό σημαίνει ότι το εσωτερικό τρανζίστορ υψηλής-πλευρικής πλευράς (T στο Σχήμα 1) άγει μόνο το 20% του χρόνου. Η εξωτερική δίοδος ανορθωτή (D) διεξάγει το υπόλοιπο 80% του χρόνου, αντιπροσωπεύοντας το μεγαλύτερο μέρος της απαγωγής ισχύος.
Για παράδειγμα, υπό φορτίο 4Α, μια δίοδος ανορθωτή Schottky όπως η B560C παρουσιάζει πτώση τάσης περίπου 0,64 V. Έτσι, σε έναν κύκλο λειτουργίας 80%, η απώλεια αγωγιμότητας (η κύρια απώλεια σε πλήρες φορτίο) προσεγγίζει (0,64V) × (4A) × (0,80)=2W.
Από την άλλη πλευρά, εάν χρησιμοποιήσουμε μια σύγχρονη αρχιτεκτονική (Εικόνα 2), η δίοδος αντικαθίσταται από ένα MOSFET χαμηλής- πλευράς που λειτουργεί ως σύγχρονος ανορθωτής. Μπορούμε να εξισορροπήσουμε την πτώση 0,64 V κατά μήκος της διόδου έναντι της πτώσης της αντίστασης πηγής αποστράγγισης- του τρανζίστορ MOSFET, R_(ds) (ενεργό).
Εικόνα 1. Ασύγχρονος Μετατροπέας Buck
Στο παράδειγμά μας, το MOSFET RJK0651DPB διαθέτει Rds(on) μόνο 11 mΩ, με μέγεθος συσκευασίας παρόμοιο με έναν ανορθωτή Schottky. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια αντίστοιχη πτώση τάσης μόνο (11 mΩ) × (4 A)=44 mV και απώλεια ισχύος μόλις (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
Η απώλεια ισχύος του MOSFET είναι περίπου 14 φορές μικρότερη από την απώλεια ισχύος του Schottky σε πλήρες φορτίο! Σαφώς, η λογική προσέγγιση για την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας είναι η χρήση σύγχρονης διόρθωσης.
Εικόνα 2. Σύγχρονος Μετατροπέας Buck
Για να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό μέγεθος του κυκλώματος τροφοδοσίας, τα νεότερα ολοκληρωμένα κυκλώματα σύγχρονης ανόρθωσης θα πρέπει να ενσωματώνουν εσωτερική αντιστάθμιση για οποιαδήποτε συχνότητα και τάση εξόδου χωρίς να απαιτείται μεγάλος πυκνωτής εξόδου. Θα πρέπει επίσης να λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες για να επιτρέπεται η χρήση μικρότερων πηνίων και πυκνωτών.
Εικόνα 3. Τυπικό κύκλωμα εφαρμογής για τον μετατροπέα MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A σύγχρονου ανορθωτή buck
Το MAX17536 και μια ασύγχρονη λύση που βασίζεται σε δημοσιευμένες προδιαγραφές φαίνονται στο Σχήμα 4. Και για τις δύο συσκευές, οι συνθήκες δοκιμής ήταν είσοδος 24V και έξοδος 5V, 4A. Όπως ήταν αναμενόμενο, η σύγχρονη λύση της Maxim έδειξε υψηλότερη απόδοση σε όλο το εύρος ρεύματος φορτίου. Σε πλήρες φορτίο (4Α), η σύγχρονη λύση της Maxim πέτυχε πάνω από 92% απόδοση, ενώ η ασύγχρονη συσκευή έφτασε μόνο περίπου στο 86%, αντιπροσωπεύοντας μια διαφορά απόδοσης που υπερβαίνει το 6%.
Εικόνα 4. Απόδοση Σύγχρονων και Ασύγχρονων Μετατροπέων Buck
Σύναψη
Όταν αντιμετωπίζονται οι προκλήσεις κατανάλωσης ενέργειας σε βιομηχανικές εφαρμογές, το MAX17536 παρουσιάζει μια σύγχρονη λύση διόρθωσης για υψηλές τάσεις εισόδου. Αυτή η σύγχρονη προσέγγιση καταδεικνύει ένα σημαντικό πλεονέκτημα απόδοσης, μετριάζοντας τις ανησυχίες για τη διαρροή ισχύος.