Pramonės automatikos sistemų projektuotojai susiduria su vis daugiau iššūkių. Montuojant tokią įrangą lentynose, padidėja dydis ir šiluminiai apribojimai. Atšiaurioje pramoninėje aplinkoje jautriai elektroninei įrangai reikalinga griežtai reguliuojama įtampa, o klientai reikalauja didesnio našumo ir funkcionalumo. Šios dviejų -dalių serijos 1 dalyje išnagrinėsime prieštaringus reikalavimus pramoniniams maitinimo šaltiniams ir kompromisus, susijusius su įprastais sprendimais.
Įvadas
Pramoninės automatikos sistemų projektavimas kelia unikalių iššūkių. Tiesą sakant, tai yra prieštaringų reikalavimų istorija. Pristačius pigių -modulinių stelažų, skirtų sistemos komponentams, pvz., programuojamiems loginiams valdikliams (PLC) ir įvesties/išvesties moduliams, patalpinti inžinieriai ir sprendimai sukėlė didelių erdvės ir šiluminių apribojimų. Šiuos iššūkius dar labiau apsunkina poreikis užtikrinti labai patikimą veikimą atšiaurioje aplinkoje, jautrioje purvui, drėgmei ir vibracijai.
Be to, klientai tikisi patobulinto funkcionalumo kitose automatizavimo sistemų kartose, nedidinant energijos suvartojimo, įrenginio dydžio, šilumos gamybos ar išlaidų. Toks patobulintas funkcionalumas dažnai grindžiamas elektroninių technologijų pažanga, tačiau tai dažnai kainuoja: griežtesnės galios tolerancijos ir įtampos lygio šuoliai, kurie turi išlikti stabilūs, nepaisant netobulų maitinimo šaltinių.
Tačiau inžinieriai nenori praleisti brangaus projekto laiko kurdami maitinimo bloką, kurio klientai nepastebi ir dažnai laikomi vertingos erdvės švaistymu. Vietoj to inžinieriai nori sutelkti dėmesį į funkcijas, kurios aiškiai išskiria jų automatizavimo sistemas nuo konkurentų.
Puslaidininkių tiekėjai atsakė į prieštaringus pramoninės automatikos sistemų projektuotojų poreikius pristatydami modulius, kurie į vieną įrenginį sujungia daugybę pagrindinių maitinimo funkcijų. Tačiau moduliai, skirti maitinti 12, 24 arba 48 V nuolatinės srovės maitinimo šaltiniais, naudojamiems pramoninės automatikos sistemose, turi būti apsaugoti įtampos spaustukais arba naudoti asinchroninio perjungimo technologiją, kad atlaikytų įtampos šuolius, kurie kenkia pagrindiniam maitinimo šaltiniui. Abu sprendimai leidžia sukurti didesnes, brangesnes ir mažiau efektyvias maitinimo sistemas,{5}}būtent tai, ko sistemų inžinieriai stengiasi išvengti.
Ši paraiškos pastaba yra mūsų dviejų -dalių serijų apie pramonės valdymo reguliatorius 1 dalis. Čia aptariame pramoninio valdymo architektūras ir jų unikalias maitinimo architektūras, kurios kelia projektavimo iššūkių. 2-oje šios serijos dalyje aptarsime naujos kartos galios įrenginius, kuriuose panaudotos naujausios silicio gamybos technologijos kartu su naujovišku lustų dizainu.
Pramonės valdymo architektūros
Nors 24 V nuolatinė įtampa tapo de facto įtampa daugeliui pramoninių valdymo programų (ypač naudojant PLC), 12 V nuolatinė srovė taip pat yra įprasta, paprastai kaip akumuliatoriaus atsarginė įtampa arba tiekiama iš alternatyvių energijos šaltinių, tokių kaip fotovoltinės (PV) plokštės. Neseniai pradėta naudoti „Power over Ethernet“ (PoE) taip pat paskatino pramonės automatikos gamintojus kurti įrenginius, maitinamus tame standarte nurodytu 48 VDC maitinimo šaltiniu. Tipiška pramoninio valdymo sistema, naudojanti 24 V nuolatinės srovės maitinimo šaltinį, parodyta 1 paveiksle.
1 pav. Tipinė pramonės valdymo sistema.
Sistema apima įvesties / išvesties modulius, skirtus gauti informaciją iš jutiklių arba siųsti komandas pavaroms, kelių{0}}kanalų skaitmeninius įėjimus, kelių-kanalų analoginius įėjimus ir išėjimus, ryšio funkcijas ir procesorių (CPU), susietą per skaitmeninę magistralę. PLC paprastai suteikia skaičiavimo galią. Maitinimas tiekiamas iš tinklo, sumažintas iki 24 V nuolatinės srovės ir paskirstomas per galinę plokštę.
Atidžiau panagrinėjus sistemos maitinimo šaltinį, tampa akivaizdu, kad sudėtingumas didėja dėl skirtingų sistemos komponentų reikalingų įtampos ir srovės lygių. 2 paveiksle parodyta nedidelė maitinimo šaltinio architektūros dalis. 120 VAC / 230 VAC pagrindinis maitinimo šaltinis iš pradžių sumažinamas naudojant pramoninius maitinimo modulius į standartinius 12 VDC arba 24 VDC sistemos galinius maitinimo šaltinius. Sistemos lygiu ši galinės plokštės įtampa dar labiau sumažinama iki mažesnių įtampos lygių, reikalingų atskiriems komponentams.
2 pav. Pramoninės automatikos sistemos maitinimo architektūros dalis
Pavyzdžiui, PLC gali būti sudarytas iš mikroprocesoriaus, skaitmeninio signalo procesoriaus (DSP) ir lauko{0}}programuojamų vartų matricos (FPGA). Šiems įrenginiams reikalingas įtampos diapazonas nuo 5 V iki 1 V. Tačiau visam PLC gali prireikti iki 3,5 A srovės. Panašiai kelių kanalų analoginiams įvesties/išvesties moduliams reikia ±15 V ir 5 V maitinimo šaltinių įvairiems stiprintuvams, analoginiams{10}}į-skaitmeniniams keitikliams (ADC) ir tankintuvams (MUX), kurių srovė iki 500 mA.
Kad reikalai būtų dar sudėtingesni, projektuotojai turi atsižvelgti į trumpalaikius įtampos šuolių ("viršįtampių") atvejus, kurie gali turėti įtakos energijos tiekimui per įvykius, tokius kaip žaibo smūgis elektros paskirstymo tinkle arba greitai perjungiant sunkiasvores apkrovas, dalijančias tą pačią maitinimo grandinę su pramoninės automatikos sistemomis. Įtampos šuoliai taip pat gali atsirasti pačioje maitinimo architektūroje, pvz., kai maitinimo šaltinio moduliai sumažina maitinimo įtampą iki 12 VDC arba 24 VDC, ypač kai naudojami jungiklio{3}}režimo tipo įrenginiai.
Šie viršįtampio įvykiai yra tokie dažni, kad tokios organizacijos kaip Tarptautinė elektrotechnikos komisija (IEC) rekomenduoja inžinieriams sukurti savo sistemas taip, kad jos atlaikytų. Pavyzdžiui, IEC 60664 reglamentuoja izoliacijos koordinavimą žemos -įtampos (1 kVAC ir 1,5 kVDC) sistemose, nurodant, kad „II klasės“ įranga (įskaitant pramoninėje automatikoje naudojamus tipus), maitinama 24 V nuolatinės srovės, gaunama iš tinklo, turi būti suprojektuota taip, kad atlaikytų iki 60 V viršįtampą.
DC-Nuolatinės įtampos reguliavimo pagrindai
DC{0}}Nuolatinės įtampos konvertavimas (arba „reguliavimas“) yra didelis verslas, o puslaidininkių tiekėjai daug investavo kurdami platų gaminių asortimentą visoms reikmėms. Įrenginiai skirstomi į dvi grupes: žemo-dropout reguliatoriai (LDO), taip pat žinomi kaip linijiniai reguliatoriai; ir perjungimo reguliatoriai.
Kruopščiai suderinus su programos veikimo charakteristikomis, perjungimo reguliatoriai paprastai siūlo didesnį efektyvumą plačiame įvesties įtampos diapazone, palyginti su LDO. Be to, perjungimo reguliatoriai gali lengvai padidinti ("žingsnis-aukštyn"), sumažinti ("žingsnis-žemyn") ir invertuoti įtampą. (Atkreipkite dėmesį, kad tam tikroms pramoninės automatikos sistemų maitinimo šaltinių dalims reikalinga atvirkštinė įtampa. Priešingai, LDO gali tik atsipirkti.)
Palyginti su paprasta ir patogia{0}}LDO, perjungimo reguliatoriai turi vieną trūkumą: jų konstrukcija yra sudėtingesnė. Taip yra todėl, kad išvesties filtravimas reikalingas norint sumažinti įtampos ir srovės pulsaciją, kurią sukelia aukšto -dažnio perjungimo operacijos. Tai gali sukelti problemų dėl jautrių lustų ir sukelti elektromagnetinius trukdžius (EMI). Nepaisant to, inžinieriai, kuriantys daugelį šiuolaikinių programų, vis labiau renkasi perjungimo reguliatorius.
Svarbiausia, kaip veikia perjungimo reguliatoriai, yra metalo{0}}oksido-puslaidininkinio lauko-efekto tranzistorių (MOSFET) naudojimas kaip perjungimo įrenginiai. Kai MOSFET įjungtas, srovė teka tiek į apkrovą, tiek į išorinį induktorių, kuris kaupia energiją. Kai MOSFET yra išjungtas, induktorius aprūpina apkrovą sukauptą energiją.
Impulso pločio moduliacija (PWM) paprastai naudojama išėjimo įtampai valdyti. Dažnis išlieka pastovus, o impulso plotis („įjungimo-laikas“) reguliuojamas taip, kad būtų užtikrinta norima įtampa. Reguliatoriaus aukšto -dažnio perjungimas sumažina nuostolius sistemoje ir išlaiko gana stabilią išėjimo įtampą įvairiomis įvesties ir apkrovos sąlygomis.
Asinchroninės topologijos perjungimo reguliatoriuje (3 pav.) energija, sukaupta induktoryje ir perduota apkrovai MOSFET išjungimo ciklo metu, neteka tiesiai į apkrovą. Vietoj to, jis skleidžiamas per išorinį Schottky diodą. Jei induktorius pasirenkamas pagal numatomą apkrovą, perjungimo reguliatorius veiks nuolatinio laidumo režimu, užtikrindamas stabilų reguliavimą.
3 pav. Asinchroninio buck reguliatoriaus grandinė.
Galutinį šio tipo perjungimo reguliatoriaus efektyvumą pirmiausia lemia du veiksniai: išorinio Schottky diodo tiesioginis įtampos kritimas ir prietaiso atvirkštinės nuotėkio srovės charakteristikos. Šiuolaikiniuose įrenginiuose tiesioginis įtampos kritimas artėja prie maždaug 0,3 V ribos. Tai gali atrodyti nedaug, tačiau dėl to nuolat suvartojama energija ir sumažėja efektyvumas.
Schottky diodų pakeitimas MOSFET padidina efektyvumą, nes naudojant pažangias gamybos technologijas galima sumažinti tranzistorių varžą įjungimui (Ron), todėl tiesioginė įtampa (ir nuostoliai) yra mažesnė nei originalių diodų. Du šios grandinės MOSFET turi veikti sinchroniškai, vienas laidų, o kitas blokuoti. (Žr. 4 pav.)
4 pav. Sinchroninio buck reguliatoriaus grandinė.
Antrasis vadinamojo sinchroninio reguliatoriaus{0}}MOSFET gali būti integruotas į modulį. Tai ne tik pašalina išorinio Schottky diodo poreikį, bet ir supaprastina grandinės dizainą ir sumažina medžiagų sąnaudas (BOM).
Šalutinis sinchroninio reguliatoriaus konstrukcijos poveikis yra tas, kad srovė teka dvikrypčiais induktoriumi dėl dviejų MOSFET perjungimo operacijos (ty padvigubėję induktoriaus nuostoliai). Tai prieštarauja vienakrypčiui asinchroninių tipų srautui. Sinchroniniuose reguliatoriuose nuostoliai paprastai yra maži, tačiau esant mažesnėms apkrovoms prietaiso efektyvumas gali būti mažesnis nei lygiaverčių asinchroninių tipų, todėl nuostoliai yra didesni.
Pagrindiniai puslaidininkių tiekėjai pašalino šį trūkumą naudodami įvairias technologijas. Pavyzdžiui, „Maxim Integrated“ pristatė aukštos -tampos sinchroninių reguliatorių, tokių kaip MAX17503, seriją, turinčią MODE funkciją, leidžiančią įrenginiui veikti trimis pasirenkamais režimais: PWM, impulsų dažnio moduliavimo (PFM) ir nenutrūkstamo laidumo režimu (DCM). PWM naudojamas normaliam darbui. PFM pagerina efektyvumą esant mažesnėms apkrovoms, pašalindamas atvirkštinės induktyvumo srovę ir praleidžiant impulsus. DCM taip pat pašalina atvirkštinės induktyvumo srovę, kad pagerintų efektyvumą esant mažesnėms apkrovoms, tačiau nepraleidžia impulsų. Dėl to DCM tinka dažniui{7}}jautrioms programoms.
Santrauka
Aukštos-įtampos, didelės-išėjimo srovės sinchroniniai reguliatoriai atitinka kompaktiškų, efektyvių ir lengvai-konstruojamų-pramoninės automatikos maitinimo modulių poreikį. Keletas veiksnių prisidėjo prie pramoninio maitinimo šaltinio iššūkio, tačiau dabar yra aukštos{5}}įtampos sinchroninio reguliatoriaus architektūra, atitinkanti visus reikalavimus. Nors dabartinis tinkamų komponentų pasirinkimas yra ribotas, asortimentas ir toliau plečiasi, kad atitiktų visus DC-DC įtampos konvertavimo reikalavimus tipinėms sistemoms, kurių galia svyruoja nuo šimtų miliamperų iki kelių amperų. 2 dalyje aptarsime, kaip naujos sinchroninių reguliatorių naujovės gali padėti spręsti energijos suvartojimo problemas