Увод
Системи индустријске аутоматизације пролазе кроз револуцију у смањењу кашњења и застоја. Овај напор, познат као Индустрија 4.0, ће уградити већу интелигенцију у све фабрике-од ХМИ панела и контролера до комуникационих модула, актуатора и сензора.
Ова револуција је паралелна са револуцијом умрежавања, где се интелигенција проширила од основних рутера до метро мрежа, ивице, па све до последње миље. Дистрибуцијом процесне интелигенције на ивицу (преко сензора и комуникационих модула), рутинске одлуке се могу донети брже без укључивања главног процесора (који се налази у ПЛЦ-у). Ова додатна интелигенција мора да функционише у истом или смањеном простору у фабрици, захтевајући повећану функционалност у мањим факторима форме.
Ово смањење димензија ПЦБ-а наглашава изазове управљања топлотом. Опције попут хладњака су искључене због ограничења простора на врхунској плочи. Вентилатори са принудним{2}}авањем се не могу користити, јер затворена кућишта спречавају улазак прашине и загађивача. Сходно томе, решења за напајање морају бити високо ефикасна док испоручују већу снагу и заузимају мањи отисак. У овом решењу за дизајн извора напајања, ми ћемо се позабавити овим захтевима док ћемо прегледати доступне опције за напајање од 20В-30В, поредећи перформансе и одређивање оптималног решења.
Решавање потрошње енергије
Индустријске апликације карактеришу номинални напон истосмерне сабирнице од 24 В, укорењен у застарелим аналогним релејима и који остаје де фацто индустријски стандард. Међутим, за опрему која није-критична, очекује се да максимални радни напон у индустријским применама буде 36В-40В. Критични уређаји, као што су контролери, актуатори и сигурносни модули, морају подржавати 60В (ИЕЦ61131-2, 60664-1 и 61508 СИЛ стандарди). Уобичајени излазни напони су 3,3 В и 5 В, са струјама у распону од 10 мА у малим сензорима до десетина ампера у апликацијама за контролу кретања, ЦНЦ и ПЛЦ. Очигледан избор је стога јасан.
Контролне апликације: Смањи (корак{0}}ниже) регулатор напона
ХМИ панел: панел за приказ интерфејса људи-машине, који обично садржи дугмад за контролу погона, програмабилне логичке контролере (ПЛЦ), дистрибуиране системе управљања (ДЦС), рачунарску нумеричку контролу (ЦНЦ)
Комуникациони модули: Дигитални и аналогни И/О модули који користе стандарде као што су серијске линије, контролери, ДевицеНет, Профибус, СерцосИИИ, И/О Линк, Етхернет, итд.
Актуатори: Мотори, погони, контрола кретања, роботика Сензори: Притисак, температура, близина, оптички и разни други сензори.
Најчешћа архитектура за поништавање је асинхрони понижни претварач, јер произвођачи полупроводника сматрају да је једноставно да дизајнирају асинхроне регулаторе за поништавање за високо{0}}напонске апликације. У овој конфигурацији, исправљачка диода на ниској-бочној страни је спољашња у односу на интегрисано коло.
За 24В улаз и 5В излаз, буцк претварач ради у циклусу рада од приближно 20%. То значи да интерни транзистор високе{4}}стране (Т на слици 1) проводи само 20% времена. Спољна исправљачка диода (Д) спроводи преосталих 80% времена, чинећи већину расипање снаге.
На пример, под оптерећењем од 4А, Шоткијева исправљачка диода попут Б560Ц показује пад напона од приближно 0,64 В. Дакле, при радном циклусу од 80%, губитак проводљивости (примарни губитак при пуном оптерећењу) је приближно (0,64В) × (4А) × (0,80)=2В.
С друге стране, ако користимо синхрону архитектуру (слика 2), диода је замењена ниским-мосфетом који делује као синхрони исправљач. Можемо уравнотежити пад од 0,64 В преко диоде са падом на отпору извора-одвода МОСФЕТ транзистора, Р_(дс) (укључено).
Слика 1. Асинхрони буцк претварач
У нашем примеру, МОСФЕТ РЈК0651ДПБ има Рдс(он) од само 11 мΩ, са величином паковања сличном Шоткијевом исправљачу. Ово резултира одговарајућим падом напона од само (11 мΩ) × (4 А)=44 мВ и губитком снаге од само (0,044 В) × (4 А) × (0,80)=141 мВ.
Губитак снаге МОСФЕТ-а је приближно 14 пута мањи од губитка снаге Шоткијевог при пуном оптерећењу! Јасно је да је логичан приступ за минимизирање потрошње енергије коришћење синхроног исправљања.
Слика 2. Синхрони буцк претварач
Да би се минимизирала укупна величина кола за напајање, новија синхрона интегрисана кола за исправљање треба да садрже интерну компензацију за било коју фреквенцију и излазни напон без потребе за великим излазним кондензатором. Такође би требало да раде на високим фреквенцијама како би се омогућило коришћење мањих индуктора и кондензатора.
Слика 3. Типично коло примене за МАКС17536 24ВИН/5ВОУТ, 4А синхрони исправљачки претварач
МАКС17536 и асинхроно решење засновано на објављеним спецификацијама приказани су на слици 4. За оба уређаја, услови тестирања су били 24В улаз и 5В, 4А излаз. Као што се и очекивало, Макимово синхроно решење је показало већу ефикасност у читавом опсегу струје оптерећења. При пуном оптерећењу (4А), Макимово синхроно решење је постигло преко 92% ефикасности, док је асинхрони уређај достигао само око 86%, што представља разлику у ефикасности од преко 6%.
Слика 4. Ефикасност синхроних и асинхроних понизних претварача
Закључак
Када се бави изазовима потрошње енергије у индустријским апликацијама, МАКС17536 представља решење за синхроно исправљање за високе улазне напоне. Овај синхрони приступ показује значајну предност у ефикасности, ублажавајући забринутост због расипање снаге.