Οι σχεδιαστές συστημάτων βιομηχανικών αυτοματισμών αντιμετωπίζουν αυξανόμενες προκλήσεις. Η τοποθέτηση σε ράφι μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένο μέγεθος και θερμικούς περιορισμούς. Σε σκληρά βιομηχανικά περιβάλλοντα, όπου ο ευαίσθητος ηλεκτρονικός εξοπλισμός απαιτεί αυστηρά ρυθμισμένες τάσεις, οι πελάτες απαιτούν υψηλότερες επιδόσεις και λειτουργικότητα. Στο Μέρος 1 αυτής της σειράς δύο μερών, θα διερευνήσουμε τις αντικρουόμενες απαιτήσεις για τη βιομηχανική τροφοδοσία και τις συμφωνίες που σχετίζονται με κοινές λύσεις.
Εισαγωγή
Ο σχεδιασμός του συστήματος βιομηχανικού αυτοματισμού παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις. Στην πραγματικότητα, είναι μια ιστορία των αντικρουόμενων απαιτήσεων. Εισαγωγή αρθρωτών ράφια χαμηλού κόστους σε εξαρτήματα συστήματος του συστήματος, όπως προγραμματιζόμενοι ελεγκτές λογικής (PLCS) και μονάδες I/O τοποθετεί σοβαρούς χώρους και θερμικούς περιορισμούς σε μηχανικούς και λύσεις. Αυτές οι προκλήσεις επιδεινώνονται από την ανάγκη να εξασφαλιστεί εξαιρετικά αξιόπιστη λειτουργία σε σκληρά περιβάλλοντα ευαίσθητα σε βρωμιά, υγρασία και δόνηση.
Επιπλέον, οι πελάτες αναμένουν βελτιωμένη λειτουργικότητα σε επόμενες γενιές συστημάτων αυτοματισμού, όλα χωρίς να αυξάνουν την κατανάλωση ενέργειας, το μέγεθος του εξοπλισμού, την παραγωγή θερμότητας και το κόστος. Τέτοιες βελτιώσεις βασίζονται συχνά στις εξελίξεις στα ηλεκτρονικά, αλλά συχνά έρχονται σε τιμή: αυστηρότερες ανοχές ισχύος και υπερτάσεις σε επίπεδα τάσης που πρέπει να παραμείνουν σταθερά ενώ προέρχονται από λιγότερο από τέλεια τροφοδοσία.
Ωστόσο, οι μηχανικοί δεν θέλουν να ξοδέψουν πολύτιμο χρόνο έργου σχεδιασμό τροφοδοσίας που περνά απαρατήρητο από τους πελάτες και συχνά θεωρείται σπατάλη πολύτιμου χώρου. Αντ 'αυτού, ο μηχανικός προτιμά να επικεντρωθεί σε πράγματα που διαφοροποιούν σαφώς το σύστημα αυτοματισμού του από τον ανταγωνισμό.
Οι προμηθευτές ημιαγωγών ανταποκρίθηκαν στις αντιφατικές ανάγκες των σχεδιαστών του συστήματος βιομηχανικών αυτοματισμών, εισάγοντας μονάδες που ενσωματώνουν πολλές από τις βασικές λειτουργίες μιας τροφοδοσίας σε μία μόνο συσκευή. Ωστόσο, οι ενότητες που έχουν σχεδιαστεί για να τροφοδοτούνται από τις προμήθειες 12, 24 ή 48VDC που χρησιμοποιούνται από τα συστήματα βιομηχανικής αυτοματισμού, πρέπει είτε να προστατεύονται από σφιγκτήρες τάσης είτε να χρησιμοποιούν ασύγχρονες τεχνικές μεταγωγής για να αντέξουν τις αιχμές τάσης που πλήττουν την προμήθεια του δικτύου. Και οι δύο λύσεις έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερα, πιο ακριβά και λιγότερο αποδοτικά συστήματα ισχύος - ακριβώς ποιοι μηχανικοί του συστήματος προσπαθούν να αποφύγουν.
Αυτό το σημείωμα εφαρμογής είναι το μέρος 1 της σειράς δύο μερών μας στους ρυθμιστές βιομηχανικών ελέγχων. Εδώ, συζητάμε τις αρχιτεκτονικές βιομηχανικού ελέγχου και τις αρχιτεκτονικές τροφοδοσίας που τους καθιστούν μοναδικές, μια πρόκληση σχεδιασμού. Στο Μέρος 2 αυτής της σειράς, θα συζητήσουμε την επόμενη γενιά συσκευών ισχύος που χρησιμοποιούν τις τελευταίες τεχνικές κατασκευής πυριτίου σε συνδυασμό με καινοτόμα σχέδια τσιπ.
Αρχιτεκτονική βιομηχανικού ελέγχου
Ενώ το 24VDC έχει γίνει η de facto τάση για τις περισσότερες εφαρμογές βιομηχανικού ελέγχου (ειδικά εκείνες που χρησιμοποιούν PLCs), το 12VDC είναι επίσης κοινό και χρησιμοποιείται συχνά ως τάση αντιγράφων ασφαλείας της μπαταρίας ή παρέχεται από εναλλακτικές πηγές ενέργειας όπως φωτοβολταϊκές (PV) πάνελ. Η πρόσφατη εισαγωγή της εξουσίας πάνω από το Ethernet (POE) ενθάρρυνε επίσης τους κατασκευαστές βιομηχανικών αυτοματισμών να σχεδιάσουν εξοπλισμό που υποστηρίζεται από την τροφοδοσία 48VDC που καθορίζεται στο πρότυπο. Ένα τυπικό σύστημα βιομηχανικού ελέγχου που χρησιμοποιεί ένα τροφοδοτικό 24VDC φαίνεται στο σχήμα 1.
Εικόνα 1. Τυπικό σύστημα βιομηχανικού ελέγχου.
Το σύστημα αποτελείται από μονάδες I/O για τη λήψη πληροφοριών από αισθητήρες ή τις εντολές αποστολής σε ενεργοποιητές, ψηφιακές εισόδους πολλαπλών καναλιών, αναλογικές εισόδους πολλαπλών καναλιών, λειτουργίες επικοινωνίας και επεξεργαστή (CPU) που συνδέονται μέσω ψηφιακού δίαυλου. συνήθως παρέχει την υπολογιστική ισχύ. Η ισχύς παρέχεται από τη χρησιμότητα, παραιτήθηκε από 24VDC και διανέμεται μέσω του backplane.
Μια πιο προσεκτική ματιά στο τροφοδοτικό του συστήματος αποκαλύπτει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα λόγω των διαφορετικών επιπέδων τάσης και ρεύματος που απαιτούνται από τα διάφορα συστατικά του συστήματος. Το σχήμα 2 δείχνει ένα μικρό τμήμα της αρχιτεκτονικής ισχύος. Η κύρια τροφοδοσία 120VAC/230VAC παραιτείται αρχικά σε μια τυπική τροφοδοσία ρεύματος 12VDC ή 24VDC χρησιμοποιώντας μια μονάδα βιομηχανικής ισχύος. Στο επίπεδο του συστήματος, αυτή η τάση backplane παραιτείται περαιτέρω στα χαμηλότερα επίπεδα τάσης που απαιτούνται από τα μεμονωμένα εξαρτήματα.
Εικόνα 2 Μέρος της αρχιτεκτονικής ισχύος ενός συστήματος βιομηχανικού αυτοματισμού.
Για παράδειγμα, ένα PLC μπορεί να αποτελείται από μικροεπεξεργαστή, επεξεργαστή ψηφιακού σήματος (DSP) και συστοιχία πύλης-προγραμματιζόμενου πεδίου (FPGA). Αυτές οι συσκευές απαιτούν ένα εύρος τάσης 5V έως 1V. Ωστόσο, ολόκληρο το PLC ενδέχεται να απαιτεί έως και 3,5Α του ρεύματος. Παρομοίως, οι αναλογικές μονάδες I/O πολλαπλών καναλιών απαιτούν προμήθειες ± 15V και 5V για διάφορους ενισχυτές, μετατροπείς αναλογικών έως ψηφιακών (ADCs) και πολυπλέκτες (MUXs) με ρεύματα μέχρι 500mA.
Για να περιπλέξουν τα θέματα, οι σχεδιαστές πρέπει να εξετάσουν τις παροδικές αιχμές τάσης ("υπερτάξεις") που επηρεάζουν τα τροφοδοτικά μέσω συμβάντων όπως οι απεργίες κεραυνών στο δίκτυο διανομής ή με ταχέως μεταβαλλόμενα βαριά φορτία που μοιράζονται τα ίδια κυκλώματα ισχύος με το σύστημα βιομηχανικής αυτοματοποίησης. Οι αιχμές τάσης μπορούν επίσης να εμφανιστούν στην ίδια την αρχιτεκτονική τροφοδοσίας, για παράδειγμα, όταν μια μονάδα τροφοδοσίας παραιτείται κάτω από την τάση τροφοδοσίας σε 12VDC ή 24VDC, ειδικά όταν χρησιμοποιείτε συσκευές τύπου μεταγωγής.
Αυτά τα γεγονότα υπέρτασης είναι τόσο συνηθισμένα που οι οργανισμοί όπως η Διεθνής Ηλεκτροχημική Επιτροπή (IEC) συνιστούν στους μηχανικούς να σχεδιάσουν τα συστήματά τους για να αντέξουν τα. Για παράδειγμα, το IEC 60664, το οποίο ασχολείται με τον συντονισμό μόνωσης σε συστήματα χαμηλής τάσης (1kVAC και 1,5KVDC), δηλώνει ότι πρέπει να σχεδιαστεί ο εξοπλισμός "κατηγορίας II" (συμπεριλαμβανομένων των τύπων εξοπλισμού που χρησιμοποιούνται στον βιομηχανικό αυτοματισμό) που τροφοδοτείται από την παροχή χρήσης 24VDC προμηθειών για να αντέξει τις υπερτιμήσεις μέχρι 60V.
Βασικά στοιχεία ρύθμισης τάσης DC-DC
Η μετατροπή τάσης DC-DC (ή "ρύθμιση") είναι μεγάλη επιχείρηση και οι προμηθευτές ημιαγωγών έχουν επενδύσει σε μεγάλο βαθμό στην ανάπτυξη ενός ευρέος φάσματος προϊόντων για όλες τις εφαρμογές. Οι συσκευές χωρίζονται σε δύο ομάδες: οι ρυθμιστές χαμηλής εγκατάλειψης (LDOs), επίσης γνωστοί ως γραμμικοί ρυθμιστές. και τους ρυθμιστές μεταγωγής.
Όταν ταιριάζουν προσεκτικά με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της εφαρμογής, οι ρυθμιστές μεταγωγής είναι συνήθως πιο αποτελεσματικά σε ένα ευρύ φάσμα τάσης εισόδου σε σύγκριση με το LDOS. Επιπλέον, οι ρυθμιστές μεταγωγής μπορούν εύκολα να επιταχύνουν ("Boost"), να κατεβούν προς τα κάτω ("buck") και να αναστρέψουν τάσεις. (Σημειώστε ότι ορισμένα τμήματα του συστήματος βιομηχανικού συστήματος αυτοματοποίησης απαιτούν αντιστροφή τάσεων. Αντίθετα, οι LDOs μπορούν μόνο να παραιτηθούν από τάσεις.
Οι ρυθμιστές μεταγωγής έχουν ένα μειονέκτημα έναντι του εύχρηστου LDOS: Ο σχεδιασμός του ρυθμιστή είναι πιο περίπλοκη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το φιλτράρισμα εξόδου απαιτείται για την εξασθένιση της τάσης και των κυματισμών ρεύματος που παράγονται από λειτουργίες μεταγωγής υψηλής συχνότητας. Αυτό προκαλεί προβλήματα για ευαίσθητα τσιπ και δημιουργεί ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI). Παρ 'όλα αυτά, οι μηχανικοί που σχεδιάζουν πολλές σύγχρονες εφαρμογές ευνοούν όλο και περισσότερο τους ρυθμιστές μεταγωγής.
Το κλειδί για τη λειτουργία των ρυθμιστών μεταγωγής είναι η χρήση τρανζίστορ φαινίσματος πεδίου ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου (MOSFETs) ως συσκευές μεταγωγής. Όταν το MOSFET είναι ενεργοποιημένο, το ρεύμα ρέει τόσο στο φορτίο όσο και σε έναν εξωτερικό επαγωγέα που αποθηκεύει την ενέργεια. Όταν το MOSFET σβήσει, ο επαγωγέας παρέχει την αποθηκευμένη ενέργεια του στο φορτίο.
Η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) χρησιμοποιείται συνήθως για τον έλεγχο της τάσης εξόδου. Η συχνότητα διατηρείται σταθερή και το πλάτος παλμού ("in-time") ρυθμίζεται για να παρέχει την επιθυμητή τάση. Η εναλλαγή υψηλής συχνότητας του ρυθμιστή περιορίζει τις απώλειες στο σύστημα διατηρώντας παράλληλα μια σχετικά σταθερή έξοδο τάσης σε μια σειρά εισόδων και φορτίων.
Σε έναν ασύγχρονο ρυθμιστή μεταγωγής τοπολογίας (Εικόνα 3), η ενέργεια που αποθηκεύεται στον επαγωγέα και στη συνέχεια μεταφέρεται στο φορτίο κατά τη διάρκεια του κύκλου off MOSFET δεν ρέει απευθείας στο φορτίο. Αντ 'αυτού, διαδίδεται μέσω μιας εξωτερικής δίοδοι Schottky. Εάν ο επαγωγέας έχει επιλεγεί με βάση το αναμενόμενο φορτίο, ο ρυθμιστής μεταγωγής θα λειτουργεί σε συνεχή τρόπο αγωγιμότητας, παρέχοντας έτσι μια σταθερή ρυθμιζόμενη τάση.
Εικόνα 3. Ασύγχρονο κύκλωμα ρυθμιστή buck.
Η τελική αποτελεσματικότητα αυτών των ρυθμιστών μεταγωγής καθορίζεται από δύο κύριους παράγοντες: την πτώση τάσης προς τα εμπρός της εξωτερικής διόδου Schottky και τα χαρακτηριστικά ρεύματος αντίστροφης διαρροής της συσκευής. Στις σύγχρονες συσκευές, η πτώση της τάσης προς τα εμπρός πλησιάζει ένα όριο περίπου 0. Αυτό δεν ακούγεται πολύ, αλλά οδηγεί σε σταθερή κατανάλωση συσκευών και μειωμένη απόδοση.
Η αντικατάσταση της δίοδοι Schottky με ένα MOSFET βελτιώνει την αποτελεσματικότητα επειδή η επί τόπου αντοχή (επί R) του τρανζίστορ μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές κατασκευής για να διατηρηθεί η τάση προς τα εμπρός (και οι απώλειες) χαμηλότερες από την αρχική δίοδο. Η λειτουργία των δύο MOSFET σε αυτό το κύκλωμα πρέπει να συγχρονιστεί έτσι ώστε να διεξάγεται και ο άλλος να σβήνει.
Εικόνα 4. Σύγχρονο κύκλωμα ρυθμιστή Buck.
Το δεύτερο MOSFET του λεγόμενου σύγχρονου ρυθμιστή μπορεί να ενσωματωθεί στη μονάδα. Εκτός από την εξάλειψη της εξωτερικής δίοδοι Schottky, αυτό απλοποιείο σχεδιασμός του κυκλώματοςκαι μειώνει το νομοσχέδιο των υλικών (BOM).
Μια παρενέργεια του σύγχρονου σχεδιασμού ρυθμιστή είναι ότι λόγω της λειτουργίας μεταγωγής των δύο MOSFETs (δηλαδή διπλασιασμού των επαγωγικών απωλειών), οι ρεύμα ρέει και στις δύο κατευθύνσεις στον επαγωγέα. Αυτό συγκρίνεται με την μονοκατευθυντική ροή στον ασύγχρονο τύπο. Σε σύγχρονους ρυθμιστές, οι απώλειες είναι συνήθως μικρές, αλλά γίνονται μεγαλύτερες σε χαμηλότερα φορτία όταν η απόδοση της συσκευής μπορεί να είναι χαμηλότερη από τον ισοδύναμο ασύγχρονο τύπο.
Οι κύριοι προμηθευτές ημιαγωγών έχουν αντιμετωπίσει αυτό το μειονέκτημα χρησιμοποιώντας μια ποικιλία τεχνικών. Για παράδειγμα,ΑπόφθεγμαΟλοκληρωμένοςέχει εισαγάγει μια σειρά απόυψηλής τάσηςΟι σύγχρονοι ρυθμιστές, όπως το MAX17503, με μια λειτουργία λειτουργίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία της συσκευής σε τρεις λειτουργίες λειτουργίας: PWM, διαμόρφωση παλμικής συχνότητας (PFM) και ασυνεχής λειτουργία αγωγιμότητας (DCM). Το DCM εξαλείφει επίσης το αντίστροφο ρεύμα του επαγωγέα για να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα σε χαμηλότερα φορτία, αλλά δεν παραλείπει τους παλμούς. Αυτό καθιστά το DCM κατάλληλο για εφαρμογές ευαίσθητου σε συχνότητα.
Περίληψη
Οι σύγχρονοι ρυθμιστές υψηλής τάσης, υψηλής τάσης, καλύπτουν τις ανάγκες της βιομηχανικής αυτοματοποίησης για μονάδες ισχύος συμπαγούς, αποδοτικής και εύκολης σχεδιασμού. Αρκετοί παράγοντες συνέβαλαν στο δίλημμα της βιομηχανικής ισχύος, αλλά οι αρχιτεκτονικές σύγχρονης ρυθμιστής υψηλής τάσης που ανταποκρίνονται σε όλες τις ανάγκες είναι τώρα διαθέσιμες. Ενώ η τρέχουσα επιλογή των κατάλληλων εξαρτημάτων είναι περιορισμένη, το εύρος συνεχίζει να επεκτείνεται για να ικανοποιήσει όλες τις απαιτήσεις μετατροπής τάσης DC-DC ενός τυπικού συστήματος, με εξόδους ισχύος που κυμαίνονται από μερικές εκατοντάδες milliamps έως αρκετούς ενισχυτές. Στο Μέρος 2, θα συζητήσουμε πώς οι νέες καινοτομίες σε σύγχρονους ρυθμιστές συμβάλλουν στην επίλυση της πρόκλησης κατανάλωσης ενέργειας.