Дизајнери система индустријске аутоматизације суочавају се са све већим бројем изазова. Монтажа такве опреме у полице доводи до повећања величине и термичких ограничења. У тешким индустријским окружењима, осетљива електронска опрема захтева строго регулисане напоне, а купци захтевају веће перформансе и функционалност. У првом делу ове серије из два-дела, истражићемо супротстављене захтеве за индустријским изворима напајања и компромисе-који су повезани са уобичајеним решењима.
Увод
Дизајн система индустријске аутоматизације представља јединствене изазове. У ствари, то је прича о супротстављеним захтевима. Увођење јефтиних-модуларних рекова за смештај компоненти система као што су програмабилни логички контролери (ПЛЦ) и И/О модули наметнуло је озбиљна просторна и термичка ограничења за инжењере и решења. Ови изазови су додатно компликовани потребом да се обезбеди високо поуздан рад у тешким окружењима подложним прљавштини, влази и вибрацијама.
Поред тога, купци очекују побољшану функционалност у наредним генерацијама система аутоматизације, све без повећања потрошње енергије, величине уређаја, производње топлоте или трошкова. Таква побољшана функционалност је често заснована на напретку у електронској технологији, али то често има своју цену: строжије толеранције снаге и скокови напона који морају остати стабилни упркос несавршеним изворима напајања.
Међутим, инжењери не желе да троше драгоцено време пројекта на дизајнирање напајања које купци не примећују и које се често сматра губитком вредног простора. Уместо тога, инжењери више воле да се фокусирају на карактеристике које јасно разликују њихове системе аутоматизације од конкурената.
Добављачи полупроводника одговорили су на конфликтне захтеве дизајнера система индустријске аутоматизације увођењем модула који интегришу многе кључне функције напајања у један уређај. Међутим, модули дизајнирани да се напајају помоћу извора напајања од 12, 24 или 48 ВДЦ који се користе у системима индустријске аутоматизације морају бити заштићени напонским стезаљкама или користити технологију асинхроног преклапања како би издржали скокове напона који погађају главни извор напајања. Оба решења резултирају већим, скупљим и мање ефикасним енергетским системима-баш оно што системски инжењери покушавају да избегну.
Ова напомена о примени је део 1 наше-серије из два дела о индустријским контролним регулаторима. Овде разматрамо индустријске управљачке архитектуре и њихове јединствене архитектуре напајања, које представљају изазове у дизајну. У другом делу ове серије, разговараћемо о следећој генерацији енергетских уређаја који користе најновије технологије производње силицијума у комбинацији са иновативним дизајном чипова.
Архитектуре индустријске контроле
Док је 24ВДЦ постао де фацто напон за већину индустријских контролних апликација (посебно оних који користе ПЛЦ), 12ВДЦ је такође уобичајен, обично као резервни напон батерије или се напаја из алтернативних извора енергије као што су фотонапонски (ПВ) панели. Недавно увођење Повер овер Етхернет-а (ПоЕ) је такође подстакло произвођаче индустријске аутоматизације да дизајнирају уређаје који се напајају 48ВДЦ напајањем наведеним у том стандарду. Типичан индустријски контролни систем који користи напајање од 24ВДЦ приказан је на слици 1.
Слика 1. Типични индустријски систем управљања.
Систем укључује И/О модуле за пријем информација од сензора или слање команди актуаторима, више-каналне дигиталне улазе, више-каналне аналогне улазе и излазе, комуникационе функције и процесор (ЦПУ) повезан преко дигиталне магистрале. ПЛЦ обично обезбеђују рачунарску снагу. Напајање се напаја из мреже, спуштено на 24ВДЦ и дистрибуирано преко задње плоче.
Након детаљнијег испитивања напајања система, постаје очигледно да се комплексност повећава због различитих нивоа напона и струје које захтевају различите компоненте система. Слика 2 илуструје мали део архитектуре напајања. Главно напајање од 120ВАЦ/230ВАЦ је првобитно смањено коришћењем индустријских модула за напајање на стандардна 12ВДЦ или 24ВДЦ системска напајања задње плоче. На нивоу система, овај напон задње плоче се даље спушта на ниже нивое напона које захтевају појединачне компоненте.
Слика 2. Део архитектуре напајања система индустријске аутоматизације
На пример, ПЛЦ се може састојати од микропроцесора, процесора дигиталних сигнала (ДСП) и поља -програмабилних капија (ФПГА). Ови уређаји захтевају опсег напона од 5В до 1В. Међутим, цео ПЛЦ може захтевати до 3,5 А струје. Слично, више{7}}канални аналогни И/О модули захтевају ±15В и 5В напајање за различите појачала, аналогно{10}}у{11}}дигиталне претвараче (АДЦ) и мултиплексере (МУКС) са струјама до 500мА.
Да би ствар додатно закомпликовали, дизајнери морају узети у обзир пролазне скокове напона („пренапоне“), који могу утицати на испоруку напајања кроз догађаје као што су удари грома у мрежу за дистрибуцију електричне енергије или кроз брзо пребацивање тешких оптерећења која деле исто струјно коло са индустријским аутоматизованим системима. Напонски скокови се такође могу јавити унутар саме архитектуре напајања, на пример када модули за напајање смањују напон напајања на 12ВДЦ или 24ВДЦ, посебно када се користе уређаји типа прекидача{3}}.
Ови догађаји пренапона су толико чести да организације као што је Међународна електротехничка комисија (ИЕЦ) препоручују да инжењери дизајнирају своје системе да их издрже. На пример, ИЕЦ 60664 се бави координацијом изолације у нисконапонским-системима (1кВАЦ и 1,5кВДЦ), наводећи да опрема „Класе ИИ“ (укључујући типове који се користе у индустријској аутоматизацији) која се напаја од 24ВДЦ изведена из мреже треба да буде пројектована да издржи пренапоне до 60В.
ДЦ-Основе регулације једносмерног напона
ДЦ-ДЦ конверзија напона (или „регулација“) је велики посао, а добављачи полупроводника су уложили велика средства у развој широког спектра производа за све примене. Уређаји су подељени у две групе: ниски-регулатори (ЛДО), такође познати као линеарни регулатори; и прекидачки регулатори.
Када се пажљиво ускладе са радним карактеристикама апликације, прекидачки регулатори обично нуде већу ефикасност у широком опсегу улазног напона у поређењу са ЛДО. Поред тога, прекидачки регулатори могу лако да повећају („степ-уп“), смање („степ-довн“) и инвертују напоне. (Имајте на уму да одређени делови напајања система индустријске аутоматизације захтевају обрнуте напоне. Насупрот томе, ЛДО могу само да пониште.)
У поређењу са једноставним и{0}}употребљивим ЛДО, прекидачки регулатори имају један недостатак: њихов дизајн је сложенији. То је зато што је филтрирање излаза потребно да би се смањили таласи напона и струје генерисани високо{2}}операцијама пребацивања. Ово може да изазове проблеме за осетљиве чипове и генерише електромагнетне сметње (ЕМИ). Упркос томе, инжењери који дизајнирају многе савремене апликације све више фаворизују прекидачке регулаторе.
Кључ за то како функционишу прекидачки регулатори је употреба металних-оксида-полупроводничких транзистора{2}}ефекта поља (МОСФЕТ) као комутационих уређаја. Када је МОСФЕТ укључен, струја тече и до оптерећења и до спољашњег индуктора који складишти енергију. Када је МОСФЕТ искључен, индуктор обезбеђује ускладиштену енергију за оптерећење.
Модулација ширине импулса (ПВМ) се обично користи за контролу излазног напона. Фреквенција остаје константна, док се ширина импулса („време-укључења“) подешава да обезбеди жељени напон. Високо{3}}прекидање регулатора минимизира губитке у систему уз одржавање релативно стабилног излазног напона у низу улазних услова и услова оптерећења.
У асинхроном тополошком прекидачком регулатору (слика 3), енергија ускладиштена у индуктору и затим пренета на оптерећење током циклуса искључења МОСФЕТ-а не тече директно у оптерећење. Уместо тога, пропагира се преко спољне Шоткијеве диоде. Ако се индуктор одабере према очекиваном оптерећењу, прекидачки регулатор ће радити у режиму континуиране проводљивости, обезбеђујући стабилну регулацију.
Слика 3. Коло асинхроног буцк регулатора.
Коначна ефикасност овог типа прекидачког регулатора је првенствено одређена два фактора: падом напона екстерне Шоткијеве диоде напред и карактеристикама струје обрнутих цурења уређаја. У савременим уређајима, пад напона напред приближава се граници од приближно 0,3В. Ово можда не изгледа много, али резултира континуираном потрошњом енергије и смањеном ефикасношћу.
Замена Шоткијевих диода МОСФЕТ-овима побољшава ефикасност јер-отпор (Рон) транзистора може да се смањи коришћењем напредних производних техника, што доводи до нижег напона (и губитака) унапред од оригиналних диода. Два МОСФЕТ-а у овом колу морају да раде синхроно, при чему један проводи, а други блокира. (Погледајте слику 4.)
Слика 4. Коло синхроног буцк регулатора.
Други МОСФЕТ тако-синхроног регулатора може да се интегрише у модул. Поред елиминисања потребе за екстерном Шоткијевом диодом, ово поједностављује дизајн кола и смањује трошак материјала (БОМ).
Споредни ефекат дизајна синхроног регулатора је да струја тече двосмерно у индуктору због операције пребацивања два МОСФЕТ-а (тј. удвостручени губици индуктора). Ово је у супротности са једносмерним током у асинхроним типовима. Код синхроних регулатора, губици су обично мали, али при мањим оптерећењима, ефикасност уређаја може бити нижа од оне код еквивалентних асинхроних типова, што резултира већим губицима.
Главни добављачи полупроводника решили су овај недостатак користећи различите технологије. На пример, Маким Интегратед је представио серију високо-напонских синхроних регулатора, као што је МАКС17503, са функцијом МОДЕ која омогућава уређају да ради у три режима који се могу изабрати: ПВМ, модулација пулсне фреквенције (ПФМ) и режим дисконтинуалне проводљивости (ДЦМ). ПВМ се користи за нормалан рад. ПФМ побољшава ефикасност при мањим оптерећењима елиминишући струју обрнуте индуктивности и прескакање импулса. ДЦМ такође елиминише струју реверзне индуктивности да би побољшао ефикасност при мањим оптерећењима, али не прескаче импулсе. Ово чини ДЦМ погодним за апликације{7}}осетљиве на фреквенцију.
Резиме
Синхрони регулатори високог{0}}напона, велике-излазне струје задовољавају потражњу за компактним, ефикасним и лаким-за{3}}пројектовањем енергетских модула у индустријској аутоматизацији. Неколико фактора је допринело изазову индустријског напајања, али архитектура синхроне регулатора високог напона-сада је доступна за испуњавање свих захтева. Иако је тренутни избор одговарајућих компоненти ограничен, опсег наставља да се шири како би испунио све захтеве ДЦ-ДЦ конверзије напона за типичне системе, са излазном снагом у распону од стотина милиампера до неколико ампера. У другом делу ћемо разговарати о томе како нове иновације у синхроним регулаторима могу помоћи у решавању изазова потрошње енергије