Dizajnéri systémov priemyselnej automatizácie čelia rastúcim výzvam. Pripevnenie stojana takéto zariadenie môže viesť k zvýšenej veľkosti a tepelným obmedzeniam. V drsnom priemyselnom prostredí, kde citlivé elektronické vybavenie vyžaduje prísne regulované napätie, zákazníci požadujú vyšší výkon a funkčnosť. V časti 1 tejto dvojdielnej série preskúmame protichodné požiadavky na zásoby priemyselných energie a kompromisy spojené so spoločnými riešeniami.
Zavedenie
Dizajn systému priemyselnej automatizácie predstavuje jedinečné výzvy. V skutočnosti je to príbeh protichodných požiadaviek. Predstavujeme nízkonákladové modulárne stojany do komponentov systému domáceho systému, ako sú programovateľné logické ovládače (PLC) a I/O moduly, umiestňuje na inžinierov a riešenia závažné priestory a tepelné obmedzenia. Tieto výzvy sú znásobené potrebou zabezpečiť vysoko spoľahlivú prevádzku v tvrdých prostrediach náchylných na nečistoty, vlhkosť a vibrácie.
Okrem toho zákazníci očakávajú vylepšenú funkčnosť v nasledujúcich generáciách automatizačných systémov, a to všetko bez zvýšenia spotreby energie, veľkosti zariadenia, generovania tepla a nákladov. Takéto vylepšenia sa často zakladajú na pokroku v elektronike, ale často prichádzajú za cenu: prísnejšie tolerancie energie a prepätie v úrovniach napätia, ktoré musia zostať stabilné, zatiaľ čo pochádzajú z menej ako dokonalých zdrojov energie.
Inžinieri však nechcú tráviť cenný čas projektu navrhovaním napájania, ktoré zákazníci bez povšimnutia a často sa považujú za stratu cenného priestoru. Namiesto toho sa inžinier zameriava na veci, ktoré jasne odlišujú jeho automatizačný systém od konkurencie.
Dodávatelia polovodičov reagovali na konfliktné potreby návrhárov systémov priemyselnej automatizácie zavedením modulov, ktoré integrujú mnohé z kľúčových funkcií napájacieho zdroja do jedného zariadenia. Moduly navrhnuté tak, aby boli napájané dodávkami 12, 24 alebo 48VDC používané v systémoch priemyselnej automatizácie, musia byť chránené buď napäťovými svorkami, alebo používajú asynchrónne techniky prepínania, aby odolali napätia, ktoré trápia napájanie. Obe riešenia vedú k väčším, drahším a menej efektívnym energetickým systémom - presne tomu, čomu sa systémových inžinierov snaží vyhnúť.
Táto aplikácia je časťou 1 našej dvojdielnej série o regulátoroch priemyselnej kontroly. Tu diskutujeme architektúry priemyselnej kontroly a architektúry napájania, vďaka ktorým sú jedinečné, čo je výzvou pre dizajn. V časti 2 tejto série budeme diskutovať o ďalšej generácii energetických zariadení, ktoré využívajú najnovšie techniky výroby kremíka v kombinácii s inovatívnymi dizajnmi čipov.
Architektúra priemyselnej kontroly
Zatiaľ čo 24VDC sa stala de facto napätím pre väčšinu aplikácií priemyselného riadenia (najmä tie, ktoré využívajú PLC), 12VDC je tiež bežná a často sa používa ako záložné napätie batérie alebo poskytuje alternatívne zdroje energie, ako sú fotovoltaické (PV) panely. Nedávne zavedenie energie nad Ethernet (PoE) tiež povzbudilo výrobcov priemyselnej automatizácie, aby navrhli vybavenie poháňané dodávkou 48VDC určené v štandarde. Typický systém priemyselného riadenia využívajúci napájací zdroj 24VDC je znázornený na obrázku 1.
Obrázok 1. Typický systém priemyselného riadenia.
Systém pozostáva z I/O modulov na prijímanie informácií zo senzorov alebo odosielania príkazov do ovládačov, viackanálových digitálnych vstupov, viackanálových analógových vstupov a výstupov, komunikačných funkcií a procesora (CPU) prepojených prostredníctvom digitálnej zbernice. zvyčajne poskytuje výpočtový výkon. Výkon je dodávaný z nástroja, znížený na 24 VDC a distribuovaný cez zadnú dosku.
Bližší pohľad na zdroj napájania systému odhaľuje väčšiu zložitosť v dôsledku rôznych úrovní napätia a prúdu požadovaných rôznymi komponentmi systému. Obrázok 2 zobrazuje malú časť architektúry výkonu. Hlavné napájacie napájanie 120VAC/230VAC sa spočiatku znížilo na štandardné napájacie napájacie napájacie napájacie napájacie napájacie napájacie napájacie napájacie napájanie pomocou priemyselného výkonového modulu. Na úrovni systému je toto napätie spätného planeu ďalej znížené na nižšie úrovne napätia požadované jednotlivými komponentmi.
Obrázok 2. Časť energetickej architektúry systému priemyselnej automatizácie.
Napríklad PLC môže pozostávať z mikroprocesora, procesora digitálneho signálu (DSP) a poľa s programovacou hradlom v teréne (FPGA). Tieto zariadenia vyžadujú rozsah napätia 5 V až 1V. Celá PLC však môže vyžadovať až 3,5A prúdu. Podobne aj viackanálové analógové I/O moduly vyžadujú dodávky ± 15 V a 5 V pre rôzne zosilňovače, analógovo-digitálne prevodníky (ADC) a multiplexory (MUXS) s prúdmi do 500 mA.
Aby dizajnéri komplikujú záležitosti, musia zvážiť prechodné špičky napätia („prevody“), ktoré ovplyvňujú napájacie zdroje prostredníctvom udalostí, ako sú blesky štrajku v distribučnej sieti alebo rýchlym prepínaním vysokých zaťažení, ktoré zdieľajú rovnaké elektrické obvody ako systém priemyselnej automatizácie. Špičky napätia sa môžu vyskytnúť aj v samotnej architektúre napájania, napríklad keď modul napájania poklesne napájacie napätie na 12VDC alebo 24VDC, najmä pri použití zariadení typu prepínača.
Tieto podujatia pre prepätie sú také bežné, že organizácie ako Medzinárodná elektrochemická komisia (IEC) odporúčajú, aby inžinieri navrhli svoje systémy, aby ich odolali. Napríklad IEC 60664, ktorý sa zaoberá koordináciou izolácie v systémoch s nízkym napätím (1KVAC a 1,5KVDC), uvádza, že vybavenie „triedy II“ (vrátane typov zariadení používaných v priemyselnej automatizácii) by mali byť navrhnuté vydržať prepätia až do 60 V.
Základy regulácie napätia DC-DC
Konverzia napätia DC-DC (alebo „regulácia“) je veľká firma a dodávatelia polovodičov investovali do veľkej miery do vývoja širokej škály produktov pre všetky aplikácie. Zariadenia sú rozdelené do dvoch skupín: regulátory s nízkym výpadkom (LDO), známe tiež ako lineárne regulátory; a prepínanie regulátorov.
Ak sú opatrne zodpovedajúce prevádzkovým charakteristikám aplikácie, regulátory prepínania sú zvyčajne efektívnejšie v širokom rozsahu vstupného napätia v porovnaní s LDOS. Okrem toho môžu regulátory prepínania ľahko zvýšiť („zosilňovač“), krok nadol („Buck“) a prevrátiť napätie. (Upozorňujeme, že niektoré časti napájacích zdrojov systému priemyselného automatizácie vyžadujú prevrátenie napätia. Naopak, LDO môžu iba znížiť napätie.
Prepínanie regulátorov majú jednu nevýhodu nad ľahko použiteľnými LDO: Dizajn regulátora je zložitejší. Dôvodom je skutočnosť, že na zoslabenie napätia a prúdových vlniek generovaných vysokofrekvenčnými prepínajúcimi operáciami je potrebné výstupné filtrovanie. To spôsobuje problémy citlivých čipov a vytvára elektromagnetické interferencie (EMI). Napriek tomu inžinieri, ktorí navrhujú mnoho súčasných aplikácií, čoraz viac uprednostňuje prepínanie regulátorov.
Kľúčom k prevádzke prepínajúcich regulátorov je použitie tranzistorov polovodičového poľa oxidu kovu (MOSFET) ako spínacích zariadení. Keď je MOSFET zapnutý, prúd tečie tak na záťaž, ako aj k externému induktorovi, ktorý ukladá energiu. Keď sa MOSFET vypne, induktor poskytne svoju uloženú energiu na zaťaženie.
Modulácia šírky impulzu (PWM) sa zvyčajne používa na riadenie výstupného napätia. Frekvencia je udržiavaná konštantná a šírka impulzu („načas“) je upravená tak, aby poskytla požadované napätie. Vysokofrekvenčné prepínanie regulátora obmedzuje straty v systéme pri zachovaní relatívne stabilného výstupu napätia v rozsahu vstupov a zaťažení.
V regulátore asynchrónnej topológie (obrázok 3) energia uložená v induktore a potom prenesená na zaťaženie počas cyklu MOSFET nelieči priamo do zaťaženia. Namiesto toho sa šíri vonkajšou Schottskej dióde. Ak je induktor vybraný na základe očakávaného zaťaženia, regulátor prepínača bude fungovať v kontinuálnom vodivom režime, čím poskytuje stabilné regulované napätie.
Obrázok 3. Asynchrónny obvod regulátora buck.
Konečná účinnosť týchto prepínajúcich regulátorov je určená dvoma hlavnými faktormi: pokles napätia vpred vonkajšej Schottskej diódy a charakteristiky spätného priechodného prúdu zariadenia. V moderných zariadeniach sa pokles napätia vpred blíži k limitu približne 0. 3V. To neznie veľa, ale vedie to k konštantnej spotrebe zariadenia a zníženej účinnosti.
Nahradenie Schottskej diódy za MOSFET zlepšuje účinnosť, pretože rezistencia (R) tranzistora sa môže znížiť pomocou pokročilých výrobných techník, aby sa udržalo napätie vpred (a straty) nižšie ako pôvodná dióda. Prevádzka dvoch MOSFETS v tomto obvode sa musí synchronizovať tak, aby sa človek riadil a druhý sa vypne.
Obrázok 4. Synchrónny obvod regulátora buck.
Druhý MOSFET tzv. Synchrónneho regulátora môže byť integrovaný do modulu. Okrem eliminácie vonkajšej Schottskej diódy to zjednodušujedizajn obvodua znižuje účet materiálov (Bom).
Vedľajším účinkom konštrukcie synchrónneho regulátora je taký, že v dôsledku prepínania prevádzky dvoch MOSFET (tj zdvojnásobenie indukčných strát) prúd prúdí v oboch smeroch v induktore. Toto sa porovnáva s jednosmerným tokom v asynchrónnom type. V synchrónnych regulátoroch sú straty zvyčajne malé, ale pri nižších zaťažení sa zväčšujú, keď účinnosť zariadenia môže byť nižšia ako ekvivalentný asynchrónny typ.
Hlavní dodávatelia polovodičov sa zaoberali týmto nedostatkom pomocou rôznych techník. NapríkladMaximaIntegrovanýpredstavil sériuvýškovýSynchrónne regulátory, ako je MAX17503, s funkciou režimu, ktorá sa môže použiť na ovládanie zariadenia v troch voliteľných režimoch prevádzky: PWM, pulzná frekvenčná modulácia (PFM) a diskontinuálny riadiaci režim (DCM). DCM tiež eliminuje reverzný indukčný prúd, aby sa zlepšila účinnosť pri nižších zaťaženiach, ale neprekvapuje impulzy. Vďaka tomu je DCM vhodný pre frekvenčné aplikácie.
Zhrnutie
Synchrónne regulátory s vysokým výkonom a vysokorýchlostnému prúdu spĺňajú potreby priemyselnej automatizácie pre kompaktné, efektívne a ľahko navrhnuteľné výkonové moduly. K priemyselnej dileme v oblasti priemyselnej energie prispelo niekoľko faktorov, ale aj architektúry synchrónnych regulátorov s vysokým napätím, ktoré spĺňajú všetky potreby, sú teraz k dispozícii. Zatiaľ čo súčasný výber vhodných komponentov je obmedzený, rozsah sa naďalej rozširuje tak, aby spĺňal všetky požiadavky na konverziu napätia DC-DC v typickom systéme, s výkonnými výstupmi v rozmedzí od niekoľkých stoviek miliampov po niekoľko zosilňovačov. V časti 2 budeme diskutovať o tom, ako nové inovácie v synchrónnych regulátoroch pomáhajú riešiť výzvu na spotrebu energie.