Dizajnéri systémov priemyselnej automatizácie čelia čoraz väčšiemu počtu výziev. Montáž takéhoto zariadenia do stojanov vedie k väčším rozmerom a teplotným obmedzeniam. V drsnom priemyselnom prostredí si citlivé elektronické zariadenia vyžadujú prísne regulované napätie a zákazníci požadujú vyšší výkon a funkčnosť. V 1. časti tejto -série s dvoma časťami preskúmame protichodné požiadavky na priemyselné zdroje napájania a{5}}kompenzácie spojené s bežnými riešeniami.
Úvod
Dizajn systémov priemyselnej automatizácie predstavuje jedinečné výzvy. V skutočnosti je to príbeh protichodných požiadaviek. Zavedenie nízkonákladových-modulárnych stojanov na umiestnenie systémových komponentov, ako sú programovateľné logické radiče (PLC) a I/O moduly, spôsobilo inžinierom a riešeniam veľké priestorové a tepelné obmedzenia. Tieto výzvy sú ďalej komplikované potrebou zabezpečiť vysoko spoľahlivú prevádzku v drsnom prostredí náchylnom na nečistoty, vlhkosť a vibrácie.
Zákazníci navyše očakávajú rozšírenú funkčnosť v nasledujúcich generáciách automatizačných systémov, a to všetko bez zvýšenia spotreby energie, veľkosti zariadenia, tvorby tepla alebo nákladov. Takáto vylepšená funkčnosť je často založená na pokrokoch v elektronických technológiách, ale často to stojí za to: prísnejšie tolerancie napájania a prepätia v úrovniach napätia, ktoré musia zostať stabilné napriek nedokonalým zdrojom napájania.
Inžinieri však nechcú tráviť drahocenný čas projektu navrhovaním napájacieho zdroja, ktorý si zákazníci nevšimnú a ktorý sa často považuje za plytvanie cenným priestorom. Namiesto toho sa inžinieri radšej sústredia na funkcie, ktoré jasne odlišujú ich automatizačné systémy od konkurentov.
Dodávatelia polovodičov zareagovali na protichodné požiadavky dizajnérov systémov priemyselnej automatizácie zavedením modulov, ktoré integrujú mnoho kľúčových funkcií napájania do jedného zariadenia. Avšak moduly navrhnuté na napájanie 12, 24 alebo 48 V jednosmerným napájaním používaným v systémoch priemyselnej automatizácie musia byť chránené napäťovými svorkami alebo musia používať technológiu asynchrónneho spínania, aby odolali napäťovým špičkám, ktoré trápia hlavný zdroj napájania. Obe riešenia vedú k väčším, drahším a menej efektívnym energetickým systémom-presne tomu, čomu sa systémoví inžinieri snažia vyhnúť.
Táto aplikačná poznámka je 1. časťou našej -dielnej série o regulátoroch priemyselného riadenia. Tu diskutujeme o priemyselných riadiacich architektúrach a ich jedinečných architektúrach napájania, ktoré predstavujú výzvy v oblasti dizajnu. V časti 2 tejto série budeme diskutovať o ďalšej generácii napájacích zariadení, ktoré využívajú najnovšie technológie výroby kremíka v kombinácii s inovatívnymi návrhmi čipov.
Priemyselné riadiace architektúry
Zatiaľ čo 24 V DC sa stalo de facto napätím pre väčšinu priemyselných riadiacich aplikácií (najmä tých, ktoré používajú PLC), 12 V DC je tiež bežné, zvyčajne ako záložné napätie batérie alebo dodávané z alternatívnych zdrojov energie, ako sú fotovoltaické (PV) panely. Nedávne predstavenie Power over Ethernet (PoE) tiež povzbudilo výrobcov priemyselnej automatizácie, aby navrhli zariadenia napájané 48 V jednosmerným napájaním špecifikovaným týmto štandardom. Typický priemyselný riadiaci systém využívajúci napájanie 24 V DC je znázornený na obrázku 1.
Obrázok 1. Typický priemyselný riadiaci systém.
Systém obsahuje vstupno-výstupné moduly na príjem informácií zo senzorov alebo odosielanie príkazov akčným členom, viac{0}}kanálové digitálne vstupy, viac{1}}kanálové analógové vstupy a výstupy, komunikačné funkcie a procesor (CPU) prepojený cez digitálnu zbernicu. PLC zvyčajne poskytujú výpočtový výkon. Napájanie je dodávané zo siete, znížené na 24 V DC a distribuované cez základnú dosku.
Pri bližšom skúmaní napájacieho zdroja systému je zrejmé, že zložitosť sa zvyšuje v dôsledku meniacich sa úrovní napätia a prúdu požadovaných rôznymi komponentmi systému. Obrázok 2 zobrazuje malú časť architektúry napájacieho zdroja. 120VAC/230VAC hlavný napájací zdroj je spočiatku znížený pomocou priemyselných napájacích modulov na štandardné 12VDC alebo 24VDC systémové napájacie zdroje. Na systémovej úrovni sa toto napätie základnej dosky ďalej znižuje na nižšie úrovne napätia vyžadované jednotlivými komponentmi.
Obrázok 2. Časť architektúry napájania priemyselného automatizačného systému
Napríklad PLC môže pozostávať z mikroprocesora, digitálneho signálového procesora (DSP) a poľa -programovateľného hradlového poľa (FPGA). Tieto zariadenia vyžadujú rozsah napätia 5V až 1V. Celé PLC však môže vyžadovať až 3,5A prúdu. Podobne, viackanálové analógové I/O moduly vyžadujú ±15V a 5V napájacie zdroje pre rôzne zosilňovače, analógové{10}}na{11}}digitálne prevodníky (ADC) a multiplexory (MUX) s prúdmi do 500 mA.
Aby sa veci ešte viac skomplikovali, dizajnéri musia zvážiť prechodné napäťové špičky („prepätia“), ktoré môžu ovplyvniť dodávku energie prostredníctvom udalostí, ako sú blesky v rozvodnej sieti alebo prostredníctvom rýchleho prepínania ťažkých záťaží zdieľajúcich rovnaký napájací okruh so systémami priemyselnej automatizácie. Napäťové špičky sa môžu vyskytnúť aj v samotnej architektúre napájacieho zdroja, napríklad keď napájacie moduly znížia napätie napájacieho zdroja na 12 V jednosmerného alebo 24 V jednosmerného prúdu, a to najmä pri použití zariadení typu spínacieho-režimu.
Tieto udalosti prepätia sú také bežné, že organizácie ako Medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC) odporúčajú, aby inžinieri navrhli svoje systémy tak, aby im odolali. Napríklad IEC 60664 rieši koordináciu izolácie v nízkonapäťových (1 kVAC a 1,5 kVDC) systémoch, pričom uvádza, že zariadenia „triedy II“ (vrátane typov používaných v priemyselnej automatizácii) napájané 24 V jednosmerným prúdom odvodeným zo siete by mali byť navrhnuté tak, aby odolali prepätiu až do 60 V.
Základy regulácie jednosmerného napätia-DC
DC-Konverzia jednosmerného napätia (alebo „regulácia“) je veľký biznis a dodávatelia polovodičov veľa investovali do vývoja širokej škály produktov pre všetky aplikácie. Zariadenia sú rozdelené do dvoch skupín: regulátory s nízkym-odpadom (LDO), známe tiež ako lineárne regulátory; a spínacie regulátory.
Keď sú spínacie regulátory starostlivo prispôsobené prevádzkovým charakteristikám aplikácie, zvyčajne ponúkajú vyššiu účinnosť v širokom rozsahu vstupného napätia v porovnaní s LDO. Okrem toho spínacie regulátory môžu jednoducho zvýšiť („krok{1}}nahor“), znížiť („step{2}}dole“) a invertovať napätie. (Všimnite si, že určité časti napájacích zdrojov priemyselných automatizačných systémov vyžadujú invertované napätie. Na rozdiel od toho, LDO sa môžu len zmenšiť.)
V porovnaní s jednoduchým a{0}}priateľským používateľom LDO majú spínacie regulátory jednu nevýhodu: ich dizajn je zložitejší. Je to preto, že výstupné filtrovanie je potrebné na tlmenie zvlnenia napätia a prúdu generovaného operáciami spínania vysokých-frekvencií. To môže spôsobiť problémy s citlivými čipmi a generovať elektromagnetické rušenie (EMI). Napriek tomu inžinieri navrhujúci mnohé súčasné aplikácie stále viac uprednostňujú spínacie regulátory.
Kľúčom k fungovaniu spínacích regulátorov je použitie kovových -oxidových-polovodičových tranzistorov s-poľovým efektom (MOSFET) ako spínacích zariadení. Keď je MOSFET zapnutý, prúd tečie do záťaže aj do externého induktora, ktorý ukladá energiu. Keď je MOSFET vypnutý, induktor poskytuje uloženú energiu záťaži.
Modulácia šírky impulzov (PWM) sa zvyčajne používa na riadenie výstupného napätia. Frekvencia zostáva konštantná, zatiaľ čo šírka impulzu („čas zapnutia-“) sa upravuje tak, aby poskytovala požadované napätie. Vysoko-frekvenčné spínanie regulátora minimalizuje straty v systéme a zároveň udržuje relatívne stabilný výstup napätia v celom rozsahu vstupných a zaťažovacích podmienok.
V regulátore spínania asynchrónnej topológie (obrázok 3) energia uložená v induktore a potom prenesená do záťaže počas cyklu vypnutia MOSFET neprúdi priamo do záťaže. Namiesto toho sa šíri cez externú Schottkyho diódu. Ak je tlmivka vybraná podľa očakávaného zaťaženia, spínací regulátor bude pracovať v režime nepretržitého vedenia, čím sa zabezpečí stabilná regulácia.
Obrázok 3. Obvod asynchrónneho regulátora poklesu.
Konečná účinnosť tohto typu spínacieho regulátora je primárne určená dvoma faktormi: poklesom napätia v priepustnom smere externej Schottkyho diódy a charakteristikami spätného unikajúceho prúdu zariadenia. V moderných zariadeniach sa pokles napätia v priepustnom smere blíži k hranici približne 0,3 V. Možno sa to nezdá veľa, ale výsledkom je trvalá spotreba energie a znížená účinnosť.
Výmena Schottkyho diód za MOSFET zvyšuje účinnosť, pretože on{0}}odpor (Ron) tranzistorov možno znížiť pomocou pokročilých výrobných techník, čo má za následok nižšie napätie v priepustnom smere (a straty) ako pri pôvodných diódach. Dva MOSFETy v tomto obvode musia pracovať synchrónne, pričom jeden je vodivý a druhý blokuje. (Pozri obrázok 4.)
Obrázok 4. Obvod synchrónneho regulátora poklesu.
Do modulu je možné integrovať druhý MOSFET takzvaného{0}}synchrónneho regulátora. Okrem eliminácie potreby externej Schottkyho diódy to zjednodušuje návrh obvodu a znižuje kusovník.
Vedľajším účinkom konštrukcie synchrónneho regulátora je, že prúd tečie obojsmerne v induktore v dôsledku spínacej operácie dvoch MOSFET (tj zdvojnásobené straty induktora). To kontrastuje s jednosmerným tokom v asynchrónnych typoch. V synchrónnych regulátoroch sú straty zvyčajne malé, ale pri nižších zaťaženiach môže byť účinnosť zariadenia nižšia ako účinnosť ekvivalentných asynchrónnych typov, čo vedie k väčším stratám.
Hlavní dodávatelia polovodičov riešili túto nevýhodu pomocou rôznych technológií. Napríklad spoločnosť Maxim Integrated predstavila sériu vysokonapäťových synchrónnych regulátorov, ako je MAX17503, s funkciou MODE, ktorá umožňuje zariadeniu pracovať v troch voliteľných režimoch: PWM, modulácia pulznej frekvencie (PFM) a režim nespojitého vedenia (DCM). PWM sa používa na normálnu prevádzku. PFM zlepšuje účinnosť pri nižšom zaťažení elimináciou spätného indukčného prúdu a preskakovaním impulzov. DCM tiež eliminuje reverzný indukčný prúd na zlepšenie účinnosti pri nižších zaťaženiach, ale nevynecháva impulzy. Vďaka tomu je DCM vhodný pre aplikácie-citlivé na frekvenciu.
Zhrnutie
Synchrónne regulátory s vysokým{0}}napätím a vysokým{1}}výstupným prúdom vyhovujú dopytu po kompaktných, efektívnych a jednoducho{2}}navrhovateľných-napájacích moduloch v priemyselnej automatizácii. K problémom s priemyselným napájaním prispelo niekoľko faktorov, ale teraz je k dispozícii architektúra vysokonapäťového synchrónneho regulátora, ktorá spĺňa všetky požiadavky. Aj keď je súčasný výber vhodných komponentov obmedzený, rozsah sa neustále rozširuje, aby spĺňal všetky požiadavky na konverziu jednosmerného prúdu-jednosmerného napätia pre typické systémy s výstupným výkonom od stoviek miliampérov po niekoľko ampérov. V časti 2 budeme diskutovať o tom, ako môžu nové inovácie v synchrónnych regulátoroch pomôcť pri riešení problémov so spotrebou energie