Дизайнерите на системите за индустриална автоматизация са изправени пред все по -големи предизвикателства. Монтирането на багажника такова оборудване може да доведе до увеличен размер и термични ограничения. В суровите индустриални среди, където чувствителното електронно оборудване изисква плътно регулирани напрежения, клиентите изискват по -висока производителност и функционалност. В част 1 от тази серия от две части ще проучим противоречивите изисквания към индустриалните енергийни доставки и компромиси, свързани с общи решения.
Въведение
Дизайнът на системата за индустриална автоматизация представя уникални предизвикателства. Всъщност това е история за противоречиви искания. Въвеждането на нискотарифни модулни стелажи на компонентите на системата на къщи като програмируеми логически контролери (PLC) и I/O модули поставя тежко пространство и термични ограничения на инженери и решения. Тези предизвикателства се усложняват от необходимостта да се гарантира високо надеждна работа в тежки среди, податливи на мръсотия, влажност и вибрации.
В допълнение, клиентите очакват подобрена функционалност в следващите поколения системи за автоматизация, всички без увеличаване на консумацията на енергия, размера на оборудването, генерирането на топлина и разходите. Подобни подобрения често се основават на напредъка на електрониката, но често идват на цена: по-строги допустими отклонения и скокове в нивата на напрежение, които трябва да останат стабилни, докато идват от по-малко от перфектните захранвания.
Въпреки това, инженерите не искат да прекарват ценно време за проектиране на проекта за проектиране, което остава незабелязано от клиентите и често се счита за загуба на ценно пространство. Вместо това инженерът предпочита да се съсредоточи върху неща, които ясно разграничават системата му за автоматизация от конкуренцията.
Доставчиците на полупроводници са отговорили на противоречивите нужди на дизайнерите на системата за индустриална автоматизация, като въвеждат модули, които интегрират много от ключовите функции на захранването в едно устройство. Въпреки това, модулите, проектирани да се захранват от доставките от 12, 24 или 48VDC, използвани от системите за индустриална автоматизация, трябва да бъдат защитени от скоби на напрежението или да използват асинхронни техники за превключване, за да издържат на шиповете на напрежението, които поразиха захранването на мрежата. И двете решения водят до по -големи, по -скъпи и по -малко ефективни енергийни системи - точно това, което системните инженери се опитват да избегнат.
Тази бележка за приложение е част 1 от нашата серия от две части за регулаторите на индустриалния контрол. Тук обсъждаме архитектурите за индустриален контрол и архитектурите за захранване, които ги правят уникални, дизайнерско предизвикателство. В част 2 от тази серия ще обсъдим следващото поколение устройства за захранване, които използват най -новите техники за производство на силиций, комбинирани с иновативни дизайни на чипове.
Архитектура за индустриален контрол
Докато 24VDC се превърна в фактическо напрежение за повечето приложения за промишлено управление (особено тези, използващи PLC), 12VDC също е често срещан и често се използва като напрежение за резервно батерия или осигурено от алтернативни източници на енергия като фотоволтаични (PV) панели. Неотдавнашното въвеждане на електроенергия над Ethernet (POE) също насърчи производителите на индустриална автоматизация да проектират оборудване, захранвано от 48VDC доставките, посочени в стандарта. Типична система за промишлено управление, използваща захранване с 24VDC, е показана на фигура 1.
Фигура 1. Типична система за индустриален контрол.
Системата се състои от I/O модули за получаване на информация от сензори или изпращане на команди на задвижващи механизми, многоканални цифрови входове, многоканални аналогови входове и изходи, комуникационни функции и процесор (CPU), свързани чрез цифрова шина. Техният PLC Обикновено осигурява изчислителната мощност. Мощността се доставя от полезността, слиза до 24VDC и се разпределя през задна равнина.
По -внимателно разглеждане на захранването на системата разкрива по -голяма сложност поради различните нива на напрежение и ток, изисквани от различните компоненти на системата. Фигура 2 показва малка част от архитектурата на захранването. Основното захранване 120VAC/230VAC първоначално се спуска към стандартно захранване на захранването на 12VDC или 24VDC системата с помощта на индустриален модул за захранване. На ниво на системата това напрежение на задната плоскост допълнително се спуска към нивата на по -ниските напрежения, изисквани от отделните компоненти.
Фигура 2. Част от енергийната архитектура на индустриална система за автоматизация.
Например, PLC може да се състои от микропроцесор, процесор за цифрови сигнали (DSP) и масив, програмируем от полета (FPGA). Тези устройства изискват диапазон на напрежение от 5V до 1V. Целият PLC обаче може да изисква до 3,5А ток. По същия начин, многоканалните аналогови I/O модули изискват ± 15V и 5V доставки за различни усилватели, аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) и мултиплексори (MUXS) с токове до 500mA.
За да усложнят въпросите, дизайнерите трябва да обмислят преходни скокове на напрежението („пренапрежения“), които засягат захранването на мощността чрез събития като мълния в разпределителната мрежа или чрез бързо превключване на тежки товари, които споделят същите силови вериги като индустриалната автоматизация. Върхите на напрежението могат да възникнат и в самата архитектура на захранването, например, когато модулът за захранване стъпва надолу на захранващото напрежение до 12VDC или 24VDC, особено когато използвате устройства от тип превключвател.
Тези събития за пренапрежение са толкова често срещани, че организации като Международната електрохимична комисия (IEC) препоръчват инженерите да проектират своите системи, за да ги издържат. Например, IEC 60664, който се занимава с координация на изолацията в системите с ниско напрежение (1KVAC и 1.5kVDC), заявява, че оборудването „клас II“ (включително видове оборудване, използвано в индустриалната автоматизация), захранвано от доставените 24VDC доставки на полезност 24VDC да издържа на пренапрежения до 60V.
Основи за регулиране на напрежението на DC-DC
Преобразуването на DC-DC напрежение (или "регулация") е голям бизнес, а доставчиците на полупроводници са инвестирали много в разработването на широка гама от продукти за всички приложения. Устройствата са разделени на две групи: регулатори с ниска отпадане (LDOS), известни още като линейни регулатори; и превключване на регулатори.
Когато внимателно съвпадат с експлоатационните характеристики на приложението, регулаторите на превключване обикновено са по -ефективни в широк диапазон на входно напрежение в сравнение с LDOS. В допълнение, превключването на регулаторите могат лесно да се активизират ("Boost"), да се оттеглят ("Buck") и да обърнат напреженията. (Обърнете внимание, че някои части от захранването на системата за индустриална автоматизация изискват инвертиращи напрежения. За разлика от тях, LDOS може да намали само напреженията.
Регулаторите на превключване имат един недостатък относно лесните за използване LDOS: Дизайнът на регулатора е по-сложен. Това е така, защото е необходимо филтриране на изхода за намаляване на напрежението и токовите пулсации, генерирани от високочестотни превключващи операции. Това причинява проблеми на чувствителните чипове и генерира електромагнитни смущения (EMI). Въпреки това, инженерите, проектиращи много съвременни приложения, все повече предпочитат превключването на регулаторите.
Ключът към работата на регулаторите на превключване е използването на метални оксидни полупроводникови полеви транзистори (MOSFET) като превключващи устройства. Когато MOSFET е включен, токът тече както към товара, така и към външен индуктор, който съхранява енергията. Когато MOSFET се изключи, индукторът осигурява съхраняваната си енергия на товара.
Модулацията на ширината на импулса (PWM) обикновено се използва за контрол на изходното напрежение. Честотата се поддържа постоянна и ширината на импулса ("навреме") се регулира, за да осигури желаното напрежение. Високочестотното превключване на регулатора ограничава загубите в системата, като същевременно поддържа сравнително стабилен изход на напрежение в диапазон от входове и товари.
В асинхронния регулатор на превключване на топологията (Фигура 3) енергията, съхранявана в индуктора и след това се прехвърля в натоварването по време на цикъла на MOSFET, не тече директно към товара. Вместо това се разпространява чрез външен диод на Шотки. Ако индукторът е избран въз основа на очакваното натоварване, регулаторът на превключване ще работи в режим на непрекъсната проводимост, като по този начин осигурява стабилно регулирано напрежение.
Фигура 3. Асинхронна верига на регулатора на долара.
Крайната ефективност на тези регулатори на превключване се определя от два основни фактора: спадът на напрежението на външния диод на Schottky и характеристиките на текущия ток на изтичането на устройството. В съвременните устройства спадът на напрежението на напрежението се приближава до граница от около 0. 3V. Това не звучи много, но води до постоянна консумация на устройства и намалена ефективност.
Замяната на диода на Schottky с MOSFET подобрява ефективността, тъй като устойчивостта (на R) на транзистора може да бъде понижена с помощта на усъвършенствани техники за производство, за да се запази напрежението (и загубите) по-ниско от оригиналния диод. Работата на двата MOSFET в тази схема трябва да бъде синхронизирана, така че единият да се провежда, а другият се изключва.
Фигура 4. Синхронна верига на регулатора на долара.
Вторият MOSFET на така наречения синхронен регулатор може да бъде интегриран в модула. В допълнение към премахването на външния диод на Schottky, това опростяваДизайнът на веригатаи намалява законопроекта за материалите (BOM).
Страничен ефект от дизайна на синхронния регулатор е, че поради превключващата работа на двата MOSFET (т.е. удвояване на индуктивните загуби), текущите потоци в двете посоки в индуктора. Това се сравнява с еднопосочния поток в асинхронния тип. В синхронните регулатори загубите обикновено са малки, но стават по -големи при по -ниски натоварвания, когато ефективността на устройството може да бъде по -ниска от еквивалентния асинхронен тип.
Основните доставчици на полупроводници са се обърнали към този недостатък, използвайки различни техники. Например,МаксимИнтегриранвъведе серия отвисоко напрежениеСинхронни регулатори, като MAX17503, с режим функция, която може да се използва за работа на устройството в три избираеми режима на работа: PWM, модулация на пулсовата честота (PFM) и прекъсната проводимост (DCM). DCM също елиминира обратния ток на индуктора, за да подобри ефективността при по -ниски натоварвания, но не прескача импулсите. Това прави DCM подходящ за честотно чувствителни приложения.
Резюме
Синхронните регулатори с високо напрежение, високопоставени регулатори отговарят на нуждите на индустриалната автоматизация за компактни, ефективни и лесни за проектиране модули за захранване. Няколко фактора са допринесли за дилемата на индустриалната енергия, но синхронните архитектури на синхронния регулатор, които отговарят на всички нужди, вече са налични. Въпреки че текущият избор на подходящи компоненти е ограничен, обхватът продължава да се разширява, за да отговаря на всички изисквания за преобразуване на напрежение на DC-DC на типична система, като изходите на мощност варират от няколкостотин милиампа до няколко ампера. В част 2 ще обсъдим как новите иновации в синхронните регулатори помагат за решаването на предизвикателството за консумация на енергия.