Introduktion
Industriella automationssystem genomgår en revolution för att minska latens och stillestånd. Denna ansträngning, känd som Industry 4.0, kommer att bädda in större intelligens i hela fabriker-från HMI-paneler och styrenheter till kommunikationsmoduler, ställdon och sensorer.
Denna revolution är parallell med nätverksrevolutionen, där intelligensen expanderade från kärnroutrar till tunnelbanenätverk, kanten och hela vägen till den sista milen. Genom att distribuera bearbetningsintelligens till kanten (via sensorer och kommunikationsmoduler) kan rutinbeslut fattas snabbare utan att involvera huvudprocessorn (placerad i PLC). Denna extra intelligens måste arbeta inom samma eller minskade utrymme på fabriksgolvet, vilket kräver ökad funktionalitet i mindre formfaktorer.
Denna nedskärning av PCB-dimensioner belyser utmaningar inom värmehantering. Alternativ som kylflänsar är uteslutna på grund av utrymmesbegränsningar för premiumkort. Forcerade-luftfläktar kan inte användas, eftersom förseglade höljen hindrar damm och föroreningar från att komma in. Följaktligen måste strömförsörjningslösningar vara mycket effektiva samtidigt som de levererar högre effekt och upptar ett mindre fotavtryck. I denna designlösning för strömförsörjning kommer vi att ta itu med dessa krav samtidigt som vi granskar tillgängliga alternativ för 20W-30W strömförsörjning, jämför prestanda och bestämmer den optimala lösningen.
Adressering av strömförbrukning
Industriella applikationer har en 24V nominell DC-bussspänning, rotad i äldre analoga reläer och förblir de facto industriell standard. För icke-kritisk utrustning förväntas dock den maximala driftspänningen i industriella applikationer vara 36V-40V. Kritiska enheter, såsom styrenheter, ställdon och säkerhetsmoduler, måste stödja 60V (IEC61131-2, 60664-1 och 61508 SIL-standarder). Vanliga utspänningar är 3,3V och 5V, med strömmar från 10mA i små sensorer till tiotals ampere i motion control, CNC och PLC-tillämpningar. Det självklara valet är därför klart.
Styrtillämpningar: A Buck (Steg-Ned) spänningsregulator
HMI-panel: Mänsklig-maskingränssnittsskärm, vanligtvis med drivkontrollknappar, PLC (Programmable Logic Controllers), Distributed Control Systems (DCS), Computer Numerical Control (CNC)
Kommunikationsmoduler: Digitala och analoga I/O-moduler som använder standarder som seriella linjer, kontroller, DeviceNet, Profibus, SercosIII, I/O Link, Ethernet, etc.
Ställdon: Motorer, frekvensomriktare, rörelsekontroll, robotteknik. Sensorer: Tryck, temperatur, närhet, optiska och olika andra sensorer.
Den vanligaste buck-arkitekturen är den asynkrona buck-omvandlaren, eftersom halvledartillverkare tycker att det är enkelt att designa asynkrona buck-regulatorer för hög-tillämpningar. I den här konfigurationen är likriktardioden på låg-sida extern till den integrerade kretsen.
För en 24V-ingång och 5V-utgång arbetar buck-omvandlaren med en arbetscykel på cirka 20 %. Detta innebär att den interna transistorn på hög-sida (T i figur 1) endast leder 20 % av tiden. Den externa likriktardioden (D) leder de återstående 80 % av tiden, vilket står för huvuddelen av effektförlusten.
Till exempel, under en 4A-belastning, uppvisar en Schottky-likriktardiod som B560C ett spänningsfall på ungefär 0,64V. Sålunda, vid en 80 % arbetscykel, är ledningsförlusten (den primära förlusten vid full belastning) ungefärlig (0,64V) × (4A) × (0,80)=2W.
Å andra sidan, om vi använder en synkron arkitektur (Figur 2), ersätts dioden av en MOSFET på låg-sida som fungerar som en synkron likriktare. Vi kan balansera 0,64V-fallet över dioden mot fallet över MOSFET-transistorns drain-källaresistans, R_(ds) (på).
Figur 1. Asynkron Buck Converter
I vårt exempel har MOSFET RJK0651DPB en Rds(on) på endast 11 mΩ, med en paketstorlek som liknar en Schottky-likriktare. Detta resulterar i ett motsvarande spänningsfall på endast (11 mΩ) × (4 A)=44 mV och effektförlust på bara (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
MOSFET:s effektförlust är ungefär 14 gånger lägre än Schottkys effektförlust vid full belastning! Det logiska tillvägagångssättet för att minimera energiförbrukningen är uppenbarligen att använda synkron likriktning.
Figur 2. Synchronous Buck Converter
För att minimera den totala storleken på strömförsörjningskretsen bör nyare integrerade kretsar för synkron likriktning innehålla intern kompensation för alla frekvenser och utspänningar utan att kräva en stor utgångskondensator. De bör också arbeta vid höga frekvenser för att möjliggöra användning av mindre induktorer och kondensatorer.
Figur 3. Typisk tillämpningskrets för MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A Synchronous Rectifier Buck Converter
MAX17536 och en asynkron lösning baserad på publicerade specifikationer visas i figur 4. För båda enheterna var testförhållandena 24V ingång och 5V, 4A utgång. Som väntat visade Maxims synkrona lösning högre effektivitet över hela lastströmsområdet. Vid full belastning (4A) uppnådde Maxims synkrona lösning över 92 % effektivitet, medan den asynkrona enheten endast nådde cirka 86 %, vilket motsvarar en effektivitetsskillnad på över 6 %.
Figur 4. Effektiviteten hos synkrona och asynkrona buck-omvandlare
Slutsats
När man tar itu med strömförbrukningsutmaningar i industriella applikationer, presenterar MAX17536 en lösning för synkron likriktning för höga inspänningar. Detta synkrona tillvägagångssätt visar en betydande effektivitetsfördel, vilket minskar problem med effektförlust.