Formgivare av industriella automatiseringssystem står inför ökande utmaningar. Rackmontering Sådan utrustning kan leda till ökad storlek och termiska begränsningar. I hårda industriella miljöer, där känslig elektronisk utrustning kräver tätt reglerade spänningar, kräver kunder högre prestanda och funktionalitet. I del 1 av denna tvådelade serie kommer vi att utforska de motstridiga kraven på industriella kraftförsörjningar och de avvägningar som är förknippade med vanliga lösningar.
Introduktion
Industrial Automation System Design presenterar unika utmaningar. I själva verket är det en berättelse om motstridiga krav. Introduktion av billiga modulställningar till hussystemkomponenter som programmerbara logikstyrenheter (PLC) och I/O-moduler placerar allvarliga utrymmen och termiska begränsningar för ingenjörer och lösningar. Dessa utmaningar förvärras av behovet av att säkerställa mycket tillförlitlig drift i hårda miljöer som är mottagliga för smuts, luftfuktighet och vibrationer.
Dessutom förväntar kunderna förbättrad funktionalitet i efterföljande generationer av automatiseringssystem, alla utan att öka strömförbrukningen, utrustningsstorleken, värmeproduktionen och kostnaden. Sådana förbättringar är ofta baserade på framsteg inom elektronik, men kommer ofta till ett pris: stramare krafttoleranser och överspänningar i spänningsnivåer som måste förbli stabila medan de kommer från mindre än perfekta kraftförsörjningar.
Ingenjörer vill emellertid inte spendera värdefull projekttid för att utforma en strömförsörjning som går obemärkt av kunder och anses ofta vara ett slöseri med värdefullt utrymme. Istället föredrar ingenjören att fokusera på saker som tydligt skiljer hans automatiseringssystem från tävlingen.
Halvledarleverantörer har svarat på de motstridiga behoven hos industriella automatiseringssystemdesigners genom att introducera moduler som integrerar många av de viktigaste funktionerna för en strömförsörjning i en enda enhet. Moduler som är utformade för att drivas av de 12, 24 eller 48VDC -leveranser som används av industriella automatiseringssystem måste emellertid antingen skyddas av spänningsklämmor eller använda asynkrona omkopplingstekniker för att motstå spänningsspikarna som plågar elnätet. Båda lösningarna resulterar i större, dyrare och mindre effektiva kraftsystem - exakt vilka systemingenjörer försöker undvika.
Denna applikationsnotering är del 1 i vår tvådelade serie om industriella kontrollregulatorer. Här diskuterar vi industriella kontrollarkitekturer och kraftförsörjningsarkitekturer som gör dem unika, en designutmaning. I del 2 av denna serie kommer vi att diskutera nästa generation av kraftenheter som använder de senaste kiseltillverkningsteknikerna i kombination med innovativa chipdesign.
Industriell kontrollarkitektur
Medan 24VDC har blivit de facto -spänningen för de flesta industriella kontrollapplikationer (särskilt de som använder PLC: er), är 12VDC också vanligt och används ofta som batterisäkerhetsspänning eller tillhandahålls av alternativa energikällor som fotovoltaik (PV). Den senaste introduktionen av Power Over Ethernet (POE) har också uppmuntrat industriella automatiseringstillverkare att designa utrustning som drivs av 48VDC -leveransen som anges i standarden. Ett typiskt industriellt kontrollsystem med en 24VDC -strömförsörjning visas i figur 1.
Figur 1. Typiskt industriellt kontrollsystem.
Systemet består av I/O-moduler för att ta emot information från sensorer eller skicka kommandon till ställdon, multikanals digitala ingångar, flerkanaliga analoga ingångar och utgångar, kommunikationsfunktioner och en processor (CPU) länkad via en digital buss.The PLC ger vanligtvis datorkraften. Ström levereras från verktyget, avgick till 24VDC och distribueras genom backplanet.
En närmare titt på systemets strömförsörjning avslöjar större komplexitet på grund av olika spänningar och nuvarande nivåer som krävs av de olika systemkomponenterna. Figur 2 visar en liten del av kraftarkitekturen. 120VAC/230VAC -huvudströmförsörjningen avstår initialt till en standard 12VDC- eller 24VDC -systemets backplane -strömförsörjning med hjälp av en industriell kraftmodul. På systemnivån avstår denna backplan -spänning ytterligare till de lägre spänningsnivåerna som krävs av de enskilda komponenterna.
Figur 2. En del av kraftarkitekturen för ett industriellt automatiseringssystem.
Till exempel kan en PLC bestå av en mikroprocessor, digital signalprocessor (DSP) och fältprogrammerbar grindarray (FPGA). Dessa enheter kräver ett spänningsområde på 5V till 1V. Emellertid kan hela PLC kräva upp till 3,5A ström. På liknande sätt kräver flerkanalsanalog I/O-moduler ± 15V och 5V-leveranser för olika förstärkare, analoga till digitala omvandlare (ADC) och multiplexer (MUX) med strömmar upp till 500 mA.
För att komplicera frågor måste designers överväga övergående spänningsspikar ("överspänningar") som påverkar strömförsörjningen genom händelser som blixtnedslag på distributionsnätverket eller genom att snabbt byta tunga belastningar som delar samma kraftkretsar som det industriella automatiseringssystemet. Spänningsspikar kan också förekomma i själva strömförsörjningsarkitekturen, till exempel när en strömförsörjningsmodul stiger ner till matningsspänningen till 12VDC eller 24VDC, särskilt när du använder enhetsenheter av switch-mode.
Dessa överspänningshändelser är så vanliga att organisationer som International Electrochemical Commission (IEC) rekommenderar att ingenjörer utformar sina system för att motstå dem. Till exempel säger IEC 60664, som handlar om isoleringskoordination vid lågspänning (1 kVAC och 1,5 kVDC), att "klass II" -utrustning (inklusive utrustningstyper som används i industriell automatisering) som drivs av verktygs-härledda 24VDC-leveranser bör utformas För att motstå överspänningar på upp till 60V.
DC-DC-spänningsregleringsgrunder
DC-DC-spänningsomvandling (eller "reglering") är stora företag, och halvledarleverantörer har investerat kraftigt i att utveckla ett brett utbud av produkter för alla applikationer. Enheter är indelade i två grupper: lågt bortfallsregulatorer (LDOS), även kända som linjära regulatorer; och växla tillsynsmyndigheter.
När man noggrant matchas till applikationens driftsegenskaper är växlingsreglerare vanligtvis mer effektiva över ett brett ingångsspänningsområde jämfört med LDO: er. Dessutom kan växlingsreglerare enkelt stiga upp ("boost"), gå ner ("buck") och invertera spänningar. (Observera att vissa delar av industriella automatiseringssystemets strömförsörjning kräver inverteringsspänningar. Däremot kan LDOS bara avgå.
Att byta tillsynsmyndigheter har en nackdel över LDO: s lättanvända: Regulatorns utformning är mer komplex. Detta beror på att utgångsfiltrering krävs för att dämpa spänningen och nuvarande krusningar som genereras av högfrekventa växlingsoperationer. Detta orsakar problem för känsliga chips och genererar elektromagnetisk störning (EMI). Trots detta föredrar ingenjörer som utformar många samtida applikationer alltmer att byta tillsynsmyndigheter.
Nyckeln till drift av växlingsregulatorer är användningen av metalloxid halvledarfälteffekttransistorer (MOSFET) som växlingsanordningar. När MOSFET är på flödar strömmen både till lasten och till en extern induktor som lagrar energin. När MOSFET stängs av tillhandahåller induktorn sin lagrade energi till lasten.
Pulsbreddmodulering (PWM) används vanligtvis för att styra utgångsspänningen. Frekvensen hålls konstant och pulsbredden ("i tid") justeras för att ge önskad spänning. Högfrekvensomkopplaren av regulatorn begränsar förluster i systemet samtidigt som en relativt stabil spänningsutgång bibehålls över en rad ingångar och belastningar.
I en asynkron topologiomkopplingsregulator (figur 3) flödar inte energin lagrad i induktorn och överförs sedan till belastningen under MOSFET utanför cykeln direkt till lasten. Istället sprids det genom en extern Schottky -diod. Om induktorn väljs baserat på den förväntade belastningen kommer växlingsregulatorn att fungera i kontinuerligt ledningsläge, vilket ger en stabil reglerad spänning.
Bild 3. Asynkron buckregulatorkrets.
Den ultimata effektiviteten för dessa växlingsregulatorer bestäms av två huvudfaktorer: den främre spänningsfallet för den externa Schottky -dioden och den omvända läckströmsegenskaperna för enheten. I moderna enheter närmar sig den främre spänningsfallet en gräns på cirka 0. 3V. Detta låter inte så mycket, men det leder till konstant enhetskonsumtion och minskad effektivitet.
Att ersätta Schottky-dioden med en MOSFET förbättrar effektiviteten eftersom transistorns on-resistens (på R) kan sänkas med avancerade tillverkningstekniker för att hålla framåtspänningen (och förlusterna) lägre än den ursprungliga dioden. Driften av de två MOSFET: erna i denna krets måste synkroniseras så att en genomför och den andra stängs av.
Bild 4. Synkron buckregulatorkrets.
Den andra MOSFET för den så kallade synkronregulatorn kan integreras i modulen. Förutom att eliminera den externa Schottky -dioden, förenklar dettakretsdesignenoch minskar materialräkningen (BOM).
En biverkning av den synkrona regulatorkonstruktionen är att på grund av växlingen av de två MOSFET: erna (dvs. fördubbling av induktiva förluster), flyter strömflöden i båda riktningarna i induktorn. Detta jämförs med det enkelriktade flödet i den asynkrona typen. I synkrona regulatorer är förlusterna vanligtvis små, men blir större vid lägre belastningar när enhetseffektiviteten kan vara lägre än motsvarande asynkron typ.
Stora halvledarleverantörer har behandlat denna brist med olika tekniker. Till exempel,MaximIntegreradhar introducerat en serie avhögspändSynkrona regulatorer, såsom MAX17503, med en lägesfunktion som kan användas för att använda enheten i tre valbara driftsätt: PWM, pulsfrekvensmodulering (PFM) och diskontinuerligt ledningsläge (DCM). DCM eliminerar också omvänd induktorström för att förbättra effektiviteten vid lägre belastningar, men hoppar inte över pulser. Detta gör DCM lämplig för frekvenskänsliga applikationer.
Sammanfattning
Högspänning, högutgångsströmmars synkrona regulatorer uppfyller behoven hos industriell automatisering för kompakt, effektiva och lätt att designa kraftmoduler. Flera faktorer har bidragit till det industriella kraftdilemmaet, men högspänningssynkrona regulatorarkitekturer som uppfyller alla behov finns nu tillgängliga. Medan det nuvarande valet av lämpliga komponenter är begränsat fortsätter intervallet att utvidga för att uppfylla alla DC-DC-spänningsomvandlingskrav för ett typiskt system, med effektutgångar från några hundra milliamp till flera ampere. I del 2 kommer vi att diskutera hur nya innovationer inom synkrona tillsynsmyndigheter hjälper till att lösa maktförbrukningsutmaningen.