Designere av industrielle automasjonssystemer står overfor et økende antall utfordringer. Montering av slikt utstyr i stativer fører til økt størrelse og termiske begrensninger. I tøffe industrielle miljøer krever sensitivt elektronisk utstyr strengt regulerte spenninger, og kundene krever høyere ytelse og funksjonalitet. I del 1 av denne to-delsserien vil vi utforske de motstridende kravene til industrielle strømforsyninger og avveiningene- forbundet med vanlige løsninger.
Introduksjon
Design av industrielle automasjonssystemer byr på unike utfordringer. Faktisk er det en historie om motstridende krav. Introduksjonen av rimelige modulære stativer for å huse systemkomponenter som programmerbare logiske kontrollere (PLS) og I/O-moduler har pålagt ingeniører og løsninger store plassbegrensninger og termiske begrensninger. Disse utfordringene kompliseres ytterligere av behovet for å sikre svært pålitelig drift i tøffe miljøer som er utsatt for smuss, fuktighet og vibrasjoner.
I tillegg forventer kundene forbedret funksjonalitet i påfølgende generasjoner av automasjonssystemer, alt uten å øke strømforbruket, enhetsstørrelsen, varmeproduksjonen eller kostnadene. Slik forbedret funksjonalitet er ofte basert på fremskritt innen elektronisk teknologi, men det har ofte en kostnad: strengere effekttoleranser og støt i spenningsnivåer som må forbli stabile til tross for ufullkomne strømkilder.
Ingeniører ønsker imidlertid å bruke verdifull prosjekttid på å designe en strømforsyning som ikke blir lagt merke til av kundene og som ofte anses som sløsing med verdifull plass. I stedet foretrekker ingeniører å fokusere på funksjoner som tydelig skiller automatiseringssystemene deres fra konkurrentene.
Halvlederleverandører har svart på de motstridende kravene fra designere av industrielle automasjonssystemer ved å introdusere moduler som integrerer mange viktige strømforsyningsfunksjoner i en enkelt enhet. Imidlertid må moduler som er designet for å drives av 12, 24 eller 48VDC strømforsyninger som brukes i industrielle automasjonssystemer, beskyttes av spenningsklemmer eller bruke asynkron svitsjteknologi for å motstå spenningstopper som plager hovedstrømforsyningen. Begge løsningene resulterer i større, dyrere og mindre effektive kraftsystemer-nøyaktig det systemingeniørene prøver å unngå.
Dette søknadsnotatet er del 1 av våre to-delerserier om industrielle kontrollregulatorer. Her diskuterer vi industrielle kontrollarkitekturer og deres unike strømforsyningsarkitekturer, som byr på designutfordringer. I del 2 av denne serien vil vi diskutere neste generasjon kraftenheter som utnytter de nyeste silisiumproduksjonsteknologiene kombinert med innovative brikkedesign.
Industriell kontrollarkitektur
Mens 24VDC har blitt de facto-spenningen for de fleste industrielle kontrollapplikasjoner (spesielt de som bruker PLS-er), er 12VDC også vanlig, typisk som en batteribackupspenning eller levert av alternative energikilder som fotovoltaiske (PV) paneler. Den nylige introduksjonen av Power over Ethernet (PoE) har også oppmuntret industrielle automasjonsprodusenter til å designe enheter som drives av 48VDC-strømforsyningen spesifisert av den standarden. Et typisk industrielt kontrollsystem som bruker en 24VDC strømforsyning er vist i figur 1.
Figur 1. Typisk industrikontrollsystem.
Systemet inkluderer I/O-moduler for mottak av informasjon fra sensorer eller sending av kommandoer til aktuatorer, fler-kanals digitale innganger, fler-analoge innganger og utganger, kommunikasjonsfunksjoner og en prosessor (CPU) koblet via en digital buss. PLS-er gir vanligvis datakraft. Strøm leveres av nettstrøm, trappet ned til 24VDC, og distribuert via et bakplan.
Ved nærmere undersøkelse av systemets strømforsyning, blir det tydelig at kompleksiteten øker på grunn av de varierende spennings- og strømnivåene som kreves av forskjellige systemkomponenter. Figur 2 illustrerer en liten del av strømforsyningsarkitekturen. 120VAC/230VAC hovedstrømforsyningen trappes først ned ved bruk av industrielle strømmoduler til standard 12VDC eller 24VDC system bakplanstrømforsyninger. På systemnivå trappes denne bakplanspenningen ytterligere ned til de lavere spenningsnivåene som kreves av individuelle komponenter.
Figur 2. En del av strømforsyningsarkitekturen til et industrielt automasjonssystem
En PLS kan for eksempel bestå av en mikroprosessor, en digital signalprosessor (DSP) og en felt-programmerbar portmatrise (FPGA). Disse enhetene krever et spenningsområde på 5V til 1V. Imidlertid kan hele PLS-en kreve opptil 3,5A strøm. Tilsvarende krever fler-analoge I/O-moduler ±15V og 5V strømforsyninger for ulike forsterkere, analog-til{11}}digitalomformere (ADCer) og multipleksere (MUXer) med strømmer på opptil 500mA.
For å komplisere saken ytterligere, må designere vurdere transiente spenningsspiker ("overspenninger"), som kan påvirke strømforsyningen gjennom hendelser som lynnedslag på kraftdistribusjonsnettverket eller gjennom rask veksling av tunge laster som deler samme strømkrets med industrielle automasjonssystemer. Spenningstopper kan også forekomme innenfor selve strømforsyningsarkitekturen, for eksempel når strømforsyningsmoduler trapper ned strømforsyningsspenningen til 12VDC eller 24VDC, spesielt når du bruker enheter av typen bryter-modus.
Disse overspenningshendelsene er så vanlige at organisasjoner som International Electrotechnical Commission (IEC) anbefaler at ingeniører designer systemene sine for å tåle dem. For eksempel adresserer IEC 60664 isolasjonskoordinering i lav-spenningssystemer (1kVAC og 1,5kVDC), og sier at "Klasse II"-utstyr (inkludert typer brukt i industriell automasjon) drevet av 24VDC avledet fra strømnettet skal være utformet for å tåle overspenninger opp til 60V.
Grunnleggende om DC-DC spenningsregulering
DC-DC-spenningskonvertering (eller "regulering") er en stor bedrift, og halvlederleverandører har investert tungt i å utvikle et bredt spekter av produkter for alle bruksområder. Enheter er delt inn i to grupper: lav-frafallsregulatorer (LDO), også kjent som lineære regulatorer; og bytte regulatorer.
Når de er nøye tilpasset applikasjonens driftsegenskaper, tilbyr svitsjeregulatorer vanligvis høyere effektivitet over et bredt inngangsspenningsområde sammenlignet med LDO-er. I tillegg kan bytteregulatorer enkelt øke ("step-up"), buck ("step-down") og invertere spenninger. (Vær oppmerksom på at visse deler av strømforsyninger til industrielle automasjonssystemer krever inverterte spenninger. I motsetning til dette kan LDO-er bare lønne seg.)
Sammenlignet med den enkle og brukervennlige-LDO har bytteregulatorer én ulempe: designen deres er mer kompleks. Dette er fordi utgangsfiltrering er nødvendig for å dempe spenning og strømrippel generert av høy-svitsjeoperasjoner. Dette kan forårsake problemer for sensitive brikker og generere elektromagnetisk interferens (EMI). Til tross for dette, favoriserer ingeniører som designer mange moderne applikasjoner i økende grad bytteregulatorer.
Nøkkelen til hvordan bytteregulatorer fungerer er bruken av metall-oksid-halvlederfelt-effekttransistorer (MOSFET-er) som bytteenheter. Når MOSFET er på, flyter strømmen til både lasten og en ekstern induktor som lagrer energi. Når MOSFET er av, gir induktoren den lagrede energien til lasten.
Pulsbreddemodulasjon (PWM) brukes vanligvis til å kontrollere utgangsspenningen. Frekvensen forblir konstant, mens pulsbredden ("på-tiden") justeres for å gi ønsket spenning. Høy-svitsjingen av regulatoren minimerer tap i systemet samtidig som den opprettholder en relativt stabil spenningsutgang over en rekke inngangs- og belastningsforhold.
I en asynkron topologisvitsjingsregulator (figur 3), strømmer ikke energien som er lagret i induktoren og deretter overført til lasten under MOSFET av-syklusen, direkte til lasten. I stedet forplantes den gjennom en ekstern Schottky-diode. Hvis induktoren velges i henhold til forventet belastning, vil bryterregulatoren fungere i kontinuerlig ledningsmodus, noe som gir stabil regulering.
Figur 3. Asynkron buck-regulatorkrets.
Den endelige effektiviteten til denne typen svitsjingsregulator bestemmes først og fremst av to faktorer: foroverspenningsfallet til den eksterne Schottky-dioden og enhetens omvendte lekkasjestrømkarakteristikk. I moderne enheter nærmer spenningsfallet fremover grensen på omtrent 0,3V. Dette virker kanskje ikke så mye, men det resulterer i kontinuerlig strømforbruk og redusert effektivitet.
Å erstatte Schottky-dioder med MOSFET-er forbedrer effektiviteten fordi på-motstanden (Ron) til transistorer kan reduseres ved hjelp av avanserte produksjonsteknikker, noe som resulterer i lavere foroverspenning (og tap) enn de originale diodene. De to MOSFET-ene i denne kretsen må fungere synkront, hvor den ene leder og den andre blokkerer. (Se figur 4.)
Figur 4. Synkron buck-regulatorkrets.
Den andre MOSFET-en til den såkalte-synkrone regulatoren kan integreres i modulen. I tillegg til å eliminere behovet for en ekstern Schottky-diode, forenkler dette kretsdesign og reduserer stykklisten (BOM).
En bieffekt av synkron regulatordesign er at strømmen flyter toveis i induktoren på grunn av svitsjeoperasjonen til de to MOSFET-ene (dvs. doblet induktortap). Dette står i kontrast til den ensrettede strømmen i asynkrone typer. I synkrone regulatorer er tapene vanligvis små, men ved lavere belastninger kan enhetens effektivitet være lavere enn for tilsvarende asynkrone typer, noe som resulterer i større tap.
Store halvlederleverandører har løst denne ulempen ved å bruke forskjellige teknologier. Maxim Integrated har for eksempel introdusert en serie synkrone-høyspentregulatorer, slik som MAX17503, med en MODE-funksjon som lar enheten operere i tre valgbare moduser: PWM, pulsfrekvensmodulasjon (PFM) og diskontinuerlig ledningsmodus (DCM). PWM brukes til normal drift. PFM forbedrer effektiviteten ved lavere belastninger ved å eliminere omvendt induktansstrøm og hoppende pulser. DCM eliminerer også omvendt induktansstrøm for å forbedre effektiviteten ved lavere belastninger, men hopper ikke over pulser. Dette gjør DCM egnet for frekvens-sensitive applikasjoner.
Sammendrag
Synkrone regulatorer med høy-høy-utgangsstrøm møter etterspørselen etter kompakte, effektive og enkle-å-utforme kraftmoduler i industriell automasjon. Flere faktorer har bidratt til den industrielle strømforsyningsutfordringen, men en synkron regulatorarkitektur med høy-høyspenning er nå tilgjengelig for å møte alle krav. Selv om det nåværende utvalget av passende komponenter er begrenset, fortsetter utvalget å utvides for å møte alle DC-DC-spenningskonverteringskrav for typiske systemer, med utgangseffekter fra hundrevis av milliampere til flere ampere. I del 2 vil vi diskutere hvordan nye innovasjoner innen synkrone regulatorer kan bidra til å møte utfordringer med strømforbruk