Rūpniecisko automatizācijas sistēmu dizaineri saskaras ar pieaugošām problēmām. Plauktu montāža šāda aprīkojuma var izraisīt palielinātu izmēru un termiskos ierobežojumus. Skarbā rūpniecības vidē, kur jutīgām elektroniskām iekārtām ir nepieciešams stingri regulēts spriegums, klienti pieprasa augstāku veiktspēju un funkcionalitāti. Šīs divdaļīgās sērijas 1. daļā mēs izpētīsim konfliktējošās prasības pēc rūpniecības enerģijas avotiem un kompromisiem, kas saistīti ar kopīgiem risinājumiem.
Ievads
Rūpnieciskās automatizācijas sistēmas dizains rada unikālas problēmas. Faktiski tas ir stāsts par konfliktējošām prasībām. Iepazīstinot ar zemu izmaksu modulāriem plauktiem ar mājas sistēmas komponentiem, piemēram, programmējamiem loģikas kontrolieriem (PLC) un I/O moduļiem, inženieriem un risinājumiem ir smaga vieta un termiski ierobežojumi. Šīs problēmas papildina nepieciešamība nodrošināt ļoti uzticamu darbību skarbā vidē, kas ir jutīga pret netīrumiem, mitrumu un vibrāciju.
Turklāt klienti sagaida uzlabotu funkcionalitāti turpmākajās automatizācijas sistēmu paaudzēs, visiem nepalielinot enerģijas patēriņu, aprīkojuma lielumu, siltuma ražošanu un izmaksas. Šādi uzlabojumi bieži balstās uz elektronikas avansiem, bet bieži vien par cenu: stingrākas jaudas pielaides un sprieguma līmeņa palielināšanās, kas jāpaliek stabilam, vienlaikus nākot no mazāk nekā perfektiem barošanas avotiem.
Tomēr inženieri nevēlas tērēt vērtīgu projekta laiku, izstrādājot barošanas avotu, kas klientiem nepamanīts, un bieži tiek uzskatīts par vērtīgas telpas izšķērdēšanu. Tā vietā inženieris dod priekšroku koncentrēties uz lietām, kas skaidri atšķir viņa automatizācijas sistēmu no konkurences.
Pusvadītāju piegādātāji ir reaģējuši uz rūpniecības automatizācijas sistēmas dizaineru pretrunīgajām vajadzībām, ieviešot moduļus, kas vienā ierīcē integrē daudzas galvenās barošanas avota funkcijas. Tomēr moduļi, kas paredzēti darbināšanai ar 12, 24 vai 48VDC piederumiem, ko izmanto rūpnieciskās automatizācijas sistēmas, jāaizsargā ar sprieguma skavām, vai arī jāizmanto asinhronās komutācijas metodes, lai izturētu sprieguma smaili, kas nomoka elektrotīkla padevi. Abi risinājumi rada lielākas, dārgākas un mazāk efektīvas energosistēmas - tieši to, no kā sistēmas inženieri mēģina izvairīties.
Šī pieteikuma piezīme ir mūsu divu daļu sērijas par rūpniecības kontroles regulatoriem 1. daļa. Šeit mēs apspriežam rūpnieciskās vadības arhitektūras un barošanas avota arhitektūras, kas tās padara par unikālām - dizaina izaicinājumiem. Šīs sērijas 2. daļā mēs apspriedīsim nākamās paaudzes enerģijas ierīces, kurās tiek izmantotas jaunākās silīcija ražošanas metodes apvienojumā ar novatoriskiem mikroshēmu dizainparaugiem.
Rūpnieciskās vadības arhitektūra
Kaut arī 24VDC ir kļuvis par de facto spriegumu lielākajai daļai rūpnieciskās vadības lietojumprogrammu (it īpaši tie, kas izmanto PLC), arī 12 VDC ir izplatīta un bieži tiek izmantota kā akumulatora rezerves spriegums vai to nodrošina alternatīvi enerģijas avoti, piemēram, fotoelektriskie (PV) paneļi. Nesenā enerģijas ieviešana pār Ethernet (POE) ir arī mudinājusi rūpniecisko automatizācijas ražotājus projektēt aprīkojumu, ko darbina standartā norādītā 48VDC piegāde. Tipiska rūpniecības vadības sistēma, izmantojot 24 VDC barošanas avotu, parādīta 1. attēlā.
1. attēls. Tipiska rūpniecības vadības sistēma.
Sistēma sastāv no I/O moduļiem informācijas saņemšanai no sensoriem vai komandu nosūtīšanas izpildmehānismiem, daudzkanālu digitālajām ieejām, daudzkanālu analogām ieejām un izejām, sakaru funkcijām un procesoru (CPU), kas savienots ar digitālo kopni. PLC Parasti nodrošina skaitļošanas jaudu. Jauda tiek piegādāta no lietderības, atkāpjas līdz 24 VDC un tiek izplatīta caur backplane.
Tuvāk apskatot sistēmas barošanas avotu, atklāj lielāku sarežģītību, ņemot vērā dažādus sprieguma un strāvas līmeņus, kas nepieciešami dažādiem sistēmas komponentiem. 2. attēlā parādīta neliela jaudas arhitektūras daļa. Sākotnēji 120 VAC/230 VAC galveno barošanas avotu tiek samazināts līdz standarta 12 VDC vai 24 VDC sistēmas backplane barošanas avotam, izmantojot rūpniecisko jaudas moduli. Sistēmas līmenī šis aizmugures plāna spriegums tiek turpināts uz leju līdz zemākam sprieguma līmenim, kas vajadzīgs atsevišķām sastāvdaļām.
2. attēls. Rūpnieciskās automatizācijas sistēmas jaudas arhitektūras daļa.
Piemēram, PLC var sastāvēt no mikroprocesora, digitālā signāla procesora (DSP) un lauka programmējamiem vārtu masīva (FPGA). Šīm ierīcēm ir nepieciešams sprieguma diapazons no 5 V līdz 1 V. Tomēr visam PLC var būt nepieciešams līdz 3,5A strāvas. Līdzīgi daudzkanālu analogo I/O moduļiem ir nepieciešami ± 15 V un 5 V piederumi dažādiem pastiprinātājiem, analogiem līdz digitāliem pārveidotājiem (ADC) un multiplekseriem (MUX) ar straumēm līdz 500mA.
Lai sarežģītu jautājumus, dizaineriem ir jāapsver pārejošas sprieguma tapas ("pārspīlēšana"), kas ietekmē barošanas avotus, izmantojot tādus notikumus kā zibens streiki izplatīšanas tīklā vai ātri mainot smagas slodzes, kurām ir vienādas strāvas ķēdes kā rūpniecības automatizācijas sistēma. Sprieguma tapas var rasties arī pašā barošanas avota arhitektūrā, piemēram, ja barošanas avota modulis samazina barošanas spriegumu līdz 12 VDC vai 24 VDC, it īpaši, ja tiek izmantota slēdža režīma veida ierīces.
Šie pārsprieguma notikumi ir tik izplatīti, ka tādas organizācijas kā Starptautiskā elektroķīmiskā komisija (IEC) iesaka inženieriem projektēt savas sistēmas, lai tās izturētu. Piemēram, IEC 60664, kas attiecas uz izolācijas koordināciju zemsprieguma (1KVAC un 1,5KVDC) sistēmās, teikts, ka "II" aprīkojums (ieskaitot rūpnieciskās automatizācijas aprīkojuma veidus), kas darbināmi ar komunālajiem pakalpojumiem iegūtiem 24VDC piederumiem izturēt pārspīlējumus līdz 60 V.
DC-DC sprieguma regulēšanas pamati
DC-DC sprieguma konvertēšana (vai "regulēšana") ir liels bizness, un pusvadītāju piegādātāji ir ieguldījuši lielus ieguldījumus plaša produktu klāsta izstrādē visām lietojumiem. Ierīces ir sadalītas divās grupās: zema pamešanas regulatori (LDOS), pazīstami arī kā lineārie regulatori; un regulatoru maiņa.
Rūpīgi saskaņojot ar lietojumprogrammas darbības īpašībām, pārslēgšanas regulatori parasti ir efektīvāki plašā ieejas sprieguma diapazonā, salīdzinot ar LDO. Turklāt komutācijas regulatori var viegli pastiprināties ("pastiprināt"), atkāpties ("buks") un apgrieztu spriegumu. (Ņemiet vērā, ka dažām rūpniecības automatizācijas sistēmas barošanas avotu daļām ir nepieciešams apgriezts spriegums. Turpretī LDOS var tikai samazināt spriegumu.
Mainīšanas regulatoriem ir viens trūkums, salīdzinot ar ērti lietojamiem LDO: regulatora dizains ir sarežģītāks. Tas notiek tāpēc, ka izejas filtrēšana ir nepieciešama, lai mazinātu sprieguma un strāvas ripples, ko rada augstfrekvences komutācijas operācijas. Tas rada problēmas jutīgām mikroshēmām un rada elektromagnētiskus traucējumus (EMI). Neskatoties uz to, inženieri, kas projektē daudzas mūsdienu lietojumprogrammas, arvien vairāk veicina regulatoru maiņu.
Regulatoru komutācijas darbības atslēga ir metāla oksīda pusvadītāju lauka efektu tranzistoru (MOSFET) izmantošana kā komutācijas ierīces. Kad MOSFET ir ieslēgts, strāva plūst gan uz slodzi, gan ārējam induktoram, kas glabā enerģiju. Kad MOSFET izslēdzas, induktors nodrošina savu uzkrāto enerģiju slodzei.
Impulsa platuma modulāciju (PWM) parasti izmanto, lai kontrolētu izejas spriegumu. Frekvence tiek turēta nemainīga, un impulsa platums ("laikā") tiek pielāgots, lai nodrošinātu vēlamo spriegumu. Regulatora augstfrekvences pārslēgšana ierobežo zaudējumus sistēmā, vienlaikus saglabājot salīdzinoši stabilu sprieguma izvadi virknē ieeju un slodzes.
Asinhronā topoloģijas komutācijas regulators (3. attēls) induktorā saglabātā enerģija un pēc tam MOSFET laikā pārnesta uz slodzi, neplūst tieši uz slodzi. Tā vietā tas tiek izplatīts caur ārēju Schottky diožu. Ja induktors tiek izvēlēts, pamatojoties uz paredzamo slodzi, komutācijas regulators darbosies nepārtrauktā vadīšanas režīmā, tādējādi nodrošinot stabilu regulētu spriegumu.
3. attēls. Asinhronā buksa regulatora shēma.
Šo komutācijas regulatoru galīgo efektivitāti nosaka divi galvenie faktori: ārējās Schottky diodes priekšējā sprieguma piliens un ierīces reversās noplūdes strāvas īpašības. Mūsdienu ierīcēs priekšējā sprieguma kritums tuvojas aptuveni 0. 3V robežai. Tas neizklausās daudz, bet tas tomēr rada pastāvīgu ierīces patēriņu un samazinātu efektivitāti.
Schottky diodes aizstāšana ar MOSFET uzlabo efektivitāti, jo tranzistora pretestību (uz R) var pazemināt, izmantojot uzlabotas ražošanas metodes, lai priekšējais spriegums (un zaudējums) būtu zemāks par sākotnējo diožu. Divu MOSFET darbība šajā ķēdē ir jāsinhronizē tā, lai viens darbotos, bet otrs izslēdzas.
4. attēls. Sinhronā buksa regulatora shēma.
Tā sauktā sinhronā regulatora otro MOSFET var integrēt modulī. Papildus ārējās Schottky diodes novēršanai tas vienkāršoshēmas dizainsun samazina materiālu rēķinu (BOM).
Sinhronās regulatora dizaina blakusparādība ir tāda, ka divu MOSFET (ti, induktīvo zudumu dubultošanās) dēļ strāva plūst abos induktora virzienos. To salīdzina ar vienvirziena plūsmu asinhronajā tipā. Sinhronajos regulatoros zaudējumi parasti ir mazi, bet kļūst lielāki ar zemākām slodzēm, ja ierīces efektivitāte var būt zemāka par līdzvērtīgu asinhrono tipu.
Galvenie pusvadītāju piegādātāji ir pievērsušies šim trūkumam, izmantojot dažādas tehnikas. Piemēram,MaksimsIntegrētsir ieviesis virkniaugstspriegumsSinhronie regulatori, piemēram, MAX17503, ar režīma funkciju, kuru var izmantot, lai darbinātu ierīci trīs izvēles darbības veidos: PWM, impulsa frekvences modulācija (PFM) un pārtraukta vadīšanas režīms (DCM). DCM arī novērš reverso induktora strāvu, lai uzlabotu efektivitāti zemākas slodzes, bet neizlaiž impulsus. Tas padara DCM piemērotu jutīgām lietojumprogrammām.
Kopsavilkums
Augstsprieguma, augsts izejas strāvas sinhronie regulatori atbilst rūpnieciskās automatizācijas vajadzībām kompaktiem, efektīviem un viegli izstrādājamiem enerģijas moduļiem. Vairāki faktori ir veicinājuši rūpniecības jaudas dilemmu, bet augstsprieguma sinhronās regulatora arhitektūras, kas atbilst visām vajadzībām, tagad ir pieejamas. Kaut arī pašreizējā piemēroto komponentu izvēle ir ierobežota, diapazons turpina paplašināties, lai atbilstu visām tipiskās sistēmas DC-DC sprieguma konvertēšanas prasībām, ar jaudas izejas, sākot no dažiem simtiem miliampiem līdz vairākiem ampēriem. 2. daļā mēs diskutēsim par to, kā jauni jauninājumi sinhronajos regulatoros palīdz atrisināt enerģijas patēriņa izaicinājumu.