Ontwerpers van industriële automatiseringssystemen staan voor toenemende uitdagingen. Rackmontage dergelijke apparatuur kan leiden tot verhoogde grootte en thermische beperkingen. In harde industriële omgevingen, waar gevoelige elektronische apparatuur strak gereguleerde spanningen vereist, vereisen klanten hogere prestaties en functionaliteit. In deel 1 van deze tweedelige serie zullen we de tegenstrijdige eisen aan industriële voedingen en de afwegingen in verband met gemeenschappelijke oplossingen onderzoeken.
Invoering
Het ontwerp van industriële automatiseringssysteem biedt unieke uitdagingen. Het is zelfs een verhaal van tegenstrijdige eisen. Het introduceren van goedkope modulaire rekken om systeemcomponenten te huisvesten, zoals programmeerbare logische controllers (PLC's) en I/O-modules, plaatst ernstige ruimte en thermische beperkingen op ingenieurs en oplossingen. Deze uitdagingen worden verergerd door de noodzaak om een zeer betrouwbare werking te garanderen in harde omgevingen die vatbaar zijn voor vuil, vochtigheid en trillingen.
Bovendien verwachten klanten verbeterde functionaliteit in volgende generaties automatiseringssystemen, allemaal zonder het stroomverbruik, de grootte van de apparatuur, het genereren van warmte en kosten te verhogen. Dergelijke verbeteringen zijn vaak gebaseerd op vooruitgang in elektronica, maar komen vaak voor een prijs: strakkere stroomtoleranties en stijgingen in spanningsniveaus die stabiel moeten blijven terwijl ze afkomstig zijn van minder dan perfecte voedingen.
Ingenieurs willen echter geen waardevolle projecttijd besteden aan het ontwerpen van een voeding die onopgemerkt blijft door klanten en vaak wordt beschouwd als een verspilling van waardevolle ruimte. In plaats daarvan geeft de ingenieur er de voorkeur aan zich te concentreren op dingen die zijn automatiseringssysteem duidelijk onderscheiden van de concurrentie.
Semiconductor -leveranciers hebben gereageerd op de tegenstrijdige behoeften van ontwerpers van industriële automatiseringssysteem door modules te introduceren die veel van de belangrijkste functies van een voeding in één apparaat integreren. Modules die zijn ontworpen om te worden aangedreven door de 12, 24 of 48VDC -benodigdheden die door industriële automatiseringssystemen worden gebruikt, moeten echter worden beschermd door spanningsklemmen of asynchrone schakeltechnieken gebruiken om de spanningspieken te weerstaan die de levering van het hoofdpje pesten. Beide oplossingen resulteren in grotere, duurdere en minder efficiënte stroomsystemen - precies wat systeemingenieurs proberen te vermijden.
Deze toepassingsnotitie is deel 1 van onze tweedelige series over industriële controlebestrijdingsregelgevers. Hier bespreken we industriële controle -architecturen en de stroomvoorzieningsarchitecturen die ze uniek maken, een ontwerpuitdaging. In deel 2 van deze serie zullen we de volgende generatie power -apparaten bespreken die gebruik maken van de nieuwste technieken voor siliciumfabricage in combinatie met innovatieve chipontwerpen.
Industriële controle -architectuur
Hoewel 24VDC de de facto spanning is geworden voor de meeste industriële controletoepassingen (vooral die van PLC's), is 12VDC ook gebruikelijk en wordt vaak gebruikt als een batterij -back -upspanning of geleverd door alternatieve energiebronnen zoals fotoovoltaïsche (PV) panelen. De recente introductie van stroom over Ethernet (POE) heeft ook industriële automatiseringsfabrikanten aangemoedigd om apparatuur te ontwerpen die wordt aangedreven door de 48VDC -aanbod die is gespecificeerd in de standaard. Een typisch industrieel besturingssysteem met een 24VDC -voeding wordt weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Typisch industrieel controlesysteem.
Het systeem bestaat uit I/O-modules voor het ontvangen van informatie van sensoren of het verzenden van opdrachten naar actuatoren, multi-channel digitale ingangen, multi-channel analoge ingangen en uitgangen, communicatiefuncties en een processor (CPU) gekoppeld via een digitale bus. De PLC. Biedt meestal de rekenkracht. De stroom wordt geleverd uit het hulpprogramma, is teruggetrokken naar 24VDC en verdeeld door de backplane.
Een nadere beschouwing van de voeding van het systeem onthult een grotere complexiteit vanwege de verschillende spanning en stroomniveaus die nodig zijn door de verschillende systeemcomponenten. Figuur 2 toont een klein deel van de krachtarchitectuur. De hoofdvoeding van 120VAC/230VAC wordt aanvankelijk teruggetrokken naar een standaard 12VDC- of 24VDC -systeembackplane -voeding met behulp van een industriële stroommodule. Op het systeemniveau wordt deze backplanespanning verder getrapt naar de lagere spanningsniveaus die door de afzonderlijke componenten vereist zijn.
Figuur 2. Onderdeel van de krachtarchitectuur van een industrieel automatiseringssysteem.
Een PLC kan bijvoorbeeld bestaan uit een microprocessor, digitale signaalprocessor (DSP) en veldprogrammeerbare gate-array (FPGA). Deze apparaten vereisen een spanningsbereik van 5V tot 1V. De gehele PLC kan echter tot 3,5A stroom vereisen. Evenzo vereisen multi-channel analoge I/O-modules ± 15V en 5V-benodigdheden voor verschillende versterkers, analoog-naar-digitale converters (ADC's) en multiplexers (MUX's) met stromen tot 500 mA.
Om de zaken te bemoeilijken, moeten ontwerpers overwegen over tijdelijke spanningspieken ("overspanningen") die de voedingsvoorraden beïnvloeden door gebeurtenissen zoals blikseminslag op het distributienetwerk of door snel zware belastingen te wisselen die dezelfde stroomcircuits delen als het industriële automatiseringssysteem. Voltage spikes kunnen ook optreden in de voedingsarchitectuur zelf, bijvoorbeeld wanneer een voedingsmodule de voedingsspanning afneemt naar 12VDC of 24VDC, vooral bij het gebruik van schakelmodustype-apparaten.
Deze overspanningsevenementen zijn zo gebruikelijk dat organisaties zoals de International Electrochemical Commission (IEC) aanbevelen dat ingenieurs hun systemen ontwerpen om hen te weerstaan. Bijvoorbeeld, IEC 60664, dat zich bezighoudt met isolatiecoördinatie in laagspanningssystemen (1KVAC en 1,5 kVDC), stelt dat "Klasse II" -apparatuur (inclusief soorten apparatuur die wordt gebruikt in industriële automatisering) aangedreven door utility-afgeleide 24VDC-benodigdheden moeten worden ontworpen om overspanningen van maximaal 60V te weerstaan.
DC-DC-spanningsregeling Basics
DC-DC-spanningsconversie (of "verordening") is big business, en leveranciers van halfgeleiders hebben zwaar geïnvesteerd in het ontwikkelen van een breed scala aan producten voor alle toepassingen. Apparaten zijn verdeeld in twee groepen: lage dropout -regulatoren (LDO's), ook bekend als lineaire regulatoren; en schakelregelgevers.
Wanneer het zorgvuldig overeenkomt met de bedrijfskenmerken van de toepassing, zijn schakelregelgevers meestal efficiënter over een breed ingangsspanningsbereik in vergelijking met LDO's. Bovendien kunnen schakelregelaars eenvoudig opstaan ("boost"), stappen ("buck") en spanningen omkeren. (Merk op dat sommige delen van de voedingen van industriële automatiseringssystemen omkeerspanningen vereisen. LDO's daarentegen kunnen alleen spanningen afnemen.
Regelgevers schakelen hebben één nadeel boven eenvoudig te gebruiken LDO's: het ontwerp van de regulator is complexer. Dit komt omdat uitvoerfiltering vereist is om de spanning en stroomrimpelingen te verzwakken die worden gegenereerd door hoogfrequente schakelbewerkingen. Dit veroorzaakt problemen voor gevoelige chips en genereert elektromagnetische interferentie (EMI). Desondanks zijn ingenieurs die veel hedendaagse applicaties ontwerpen in toenemende mate de voorkeur geven aan het wisselen van regulatoren.
De sleutel tot de werking van schakelregelaars is het gebruik van metaaloxide halfgeleider veldeffect transistors (MOSFET's) als schakelapparaten. Wanneer de MOSFET is ingeschakeld, stroomt de stroom zowel naar de belasting als naar een externe inductor die de energie opslaat. Wanneer de MOSFET wordt uitgeschakeld, levert de inductor zijn opgeslagen energie aan de belasting.
Pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt meestal gebruikt om de uitgangsspanning te regelen. De frequentie wordt constant gehouden en de pulsbreedte ("op tijd") wordt aangepast om de gewenste spanning te bieden. De hoogfrequente schakeling van de regulator beperkt de verliezen in het systeem met behoud van een relatief stabiele spanningsuitgang over een bereik van ingangen en belastingen.
In een asynchrone topologie -schakelregelaar (figuur 3), stroomt de energie die is opgeslagen in de inductor en vervolgens overgebracht naar de belasting tijdens de MOSFET -cyclus niet rechtstreeks naar de belasting. In plaats daarvan wordt het gepropageerd via een externe Schottky -diode. Als de inductor is geselecteerd op basis van de verwachte belasting, werkt de schakelregelaar in continue geleidingsmodus, waardoor een stabiele gereguleerde spanning wordt geleverd.
Figuur 3. Asynchrone Buck Regulator Circuit.
De uiteindelijke efficiëntie van deze schakelregulatoren wordt bepaald door twee hoofdfactoren: de voorwaartse spanningsval van de externe Schottky -diode en de omgekeerde lekstroomkenmerken van het apparaat. In moderne apparaten nadert de voorwaartse spanningsval een limiet van ongeveer 0. 3V. Dit klinkt niet als veel, maar het leidt wel tot constant apparaatverbruik en verminderde efficiëntie.
Het vervangen van de Schottky-diode door een MOSFET verbetert de efficiëntie omdat de onresistentie (op R) van de transistor kan worden verlaagd met behulp van geavanceerde fabricagetechnieken om de voorwaartse spanning (en verliezen) lager te houden dan de oorspronkelijke diode. De werking van de twee MOSFET's in dit circuit moet worden gesynchroniseerd zodat de ene uitvoert en de andere wordt uitgeschakeld.
Figuur 4. Synchrone buck regulatorcircuit.
De tweede MOSFET van de zogenaamde synchrone regulator kan worden geïntegreerd in de module. Naast het elimineren van de externe Schottky -diode, vereenvoudigt dithet circuitontwerpen vermindert de Materials Bill (BOM).
Een bijwerking van het ontwerp van het synchrone regulator is dat vanwege de schakeloperatie van de twee MOSFET's (dwz verdubbeling van inductieve verliezen), de huidige stromen in beide richtingen in de inductor. Dit wordt vergeleken met de unidirectionele stroom in het asynchrone type. In synchrone regulatoren zijn de verliezen meestal klein, maar worden ze groter bij lagere belastingen wanneer de apparaatefficiëntie lager kan zijn dan het equivalente asynchrone type.
Grote leveranciers van halfgeleiders hebben deze tekortkomingen aangepakt met behulp van verschillende technieken. Bijvoorbeeld,SpreukGeïntegreerdheeft een reeks geïntroduceerdhoogspanningSynchrone regulatoren, zoals de Max17503, met een modusfunctie die kan worden gebruikt om het apparaat te bedienen in drie selecteerbare bedieningsmodi: PWM, pulsfrequentiemodulatie (PFM) en discontinue geleidingsmodus (DCM). DCM elimineert ook omgekeerde inductorstroom om de efficiëntie bij lagere belastingen te verbeteren, maar slaat geen pulsen over. Dit maakt DCM geschikt voor frequentie -gevoelige toepassingen.
Samenvatting
Hoogspannings, hoog-output-stroom synchrone regulatoren voldoen aan de behoeften van industriële automatisering voor compacte, efficiënte en gemakkelijk te ontwerpen stroommodules. Verschillende factoren hebben bijgedragen aan het industriële energiedilemma, maar hoogspanningssynchrone regulatorarchitecturen die aan alle behoeften voldoen, zijn nu beschikbaar. Hoewel de huidige selectie van geschikte componenten beperkt is, blijft het bereik uitbreiden om te voldoen aan alle DC-DC-spanningsconversie-eisen van een typisch systeem, met vermogensuitgangen variërend van een paar honderd milliampers tot verschillende versterkers. In deel 2 zullen we bespreken hoe nieuwe innovaties in synchrone toezichthouders helpen om de Power Consumption -uitdaging op te lossen.