Rūpnieciskās automatizācijas sistēmu dizaineri saskaras ar arvien vairāk izaicinājumu. Šāda aprīkojuma uzstādīšana plauktos palielina izmēru un termiskos ierobežojumus. Skarbā rūpnieciskā vidē jutīgām elektroniskām iekārtām ir nepieciešams stingri regulēts spriegums, un klienti pieprasa lielāku veiktspēju un funkcionalitāti. Šīs divu -daļiņu sērijas 1. daļā mēs izpētīsim pretrunīgās prasības attiecībā uz rūpnieciskajiem barošanas avotiem un kompromisus, kas saistīti ar izplatītākajiem risinājumiem.
Ievads
Rūpnieciskās automatizācijas sistēmu projektēšana rada unikālus izaicinājumus. Patiesībā tas ir stāsts par pretrunīgām prasībām. Zemu -cenu moduļu plauktu ieviešana tādu sistēmas komponentu kā programmējamo loģisko kontrolleru (PLC) un I/O moduļu izvietošanai ir radījusi nopietnus telpas un termiskus ierobežojumus inženieriem un risinājumiem. Šīs problēmas vēl vairāk sarežģī nepieciešamība nodrošināt ļoti uzticamu darbību skarbos apstākļos, kas ir jutīgi pret netīrumiem, mitrumu un vibrācijām.
Turklāt klienti sagaida uzlabotu funkcionalitāti nākamajās automatizācijas sistēmu paaudzēs, nepalielinot enerģijas patēriņu, ierīces izmēru, siltuma ražošanu vai izmaksas. Šāda uzlabota funkcionalitāte bieži vien ir balstīta uz elektronisko tehnoloģiju sasniegumiem, taču tas bieži vien maksā: stingrākas jaudas pielaides un sprieguma līmeņu pārspriegumu, kam jāpaliek stabilam, neskatoties uz nepilnīgiem enerģijas avotiem.
Tomēr inženieri nevēlas tērēt vērtīgu projekta laiku, izstrādājot barošanas bloku, kas klientiem paliek nepamanīts un bieži tiek uzskatīts par vērtīgas telpas izniekošanu. Tā vietā inženieri izvēlas koncentrēties uz funkcijām, kas skaidri atšķir viņu automatizācijas sistēmas no konkurentiem.
Pusvadītāju piegādātāji ir atbildējuši uz rūpnieciskās automatizācijas sistēmu projektētāju pretrunīgajām prasībām, ieviešot moduļus, kas integrē daudzas galvenās barošanas avota funkcijas vienā ierīcē. Tomēr moduļi, kas paredzēti darbināšanai ar 12, 24 vai 48 V līdzstrāvas barošanas avotiem, ko izmanto rūpnieciskās automatizācijas sistēmās, ir jāaizsargā ar sprieguma skavām vai jāizmanto asinhronās pārslēgšanas tehnoloģija, lai izturētu sprieguma lēcienus, kas nomoka galveno barošanas avotu. Abi risinājumi nodrošina lielākas, dārgākas un mazāk efektīvas energosistēmas,{5}}tas ir tieši tas, no kā sistēmu inženieri cenšas izvairīties.
Šī pieteikuma piezīme ir 1. daļa no mūsu divu -daļu sēriju par rūpnieciskās vadības regulatoriem. Šeit mēs apspriežam rūpnieciskās vadības arhitektūras un to unikālās barošanas avota arhitektūras, kas rada dizaina problēmas. Šīs sērijas 2. daļā mēs apspriedīsim nākamās paaudzes barošanas ierīces, kas izmanto jaunākās silīcija ražošanas tehnoloģijas apvienojumā ar novatorisku mikroshēmu dizainu.
Rūpnieciskās vadības arhitektūras
Lai gan 24 V līdzstrāva ir kļuvusi par de facto spriegumu lielākajai daļai rūpniecisko vadības lietojumprogrammu (īpaši tiem, kas izmanto PLC), 12 V līdzstrāva ir arī izplatīta, parasti kā akumulatora rezerves spriegums vai tiek piegādāts no alternatīviem enerģijas avotiem, piemēram, fotoelementu (PV) paneļiem. Nesenā Power over Ethernet (PoE) ieviešana ir arī mudinājusi rūpnieciskās automatizācijas ražotājus izstrādāt ierīces, kuras darbina šajā standartā norādītais 48 V līdzstrāvas barošanas avots. Tipiska rūpnieciskās vadības sistēma, kas izmanto 24 V līdzstrāvas barošanas avotu, ir parādīta 1. attēlā.
1. attēls. Tipiska rūpnieciskās vadības sistēma.
Sistēmā ir iekļauti I/O moduļi informācijas saņemšanai no sensoriem vai komandu nosūtīšanai uz izpildmehānismiem, daudzkanālu digitālās ieejas, daudzkanālu analogās ieejas un izejas, sakaru funkcijas un procesors (CPU), kas savienots ar digitālo kopni. PLC parasti nodrošina skaitļošanas jaudu. Barošana tiek piegādāta no tīkla, samazināta līdz 24 V līdzstrāvai un sadalīta caur aizmugures paneli.
Sīkāk izpētot sistēmas barošanas avotu, kļūst skaidrs, ka sarežģītība palielinās, jo dažādiem sistēmas komponentiem ir nepieciešami dažādi sprieguma un strāvas līmeņi. 2. attēlā ir parādīta neliela barošanas avota arhitektūras daļa. 120VAC/230VAC galvenais barošanas avots sākotnēji tiek samazināts, izmantojot rūpnieciskos barošanas moduļus, līdz standarta 12VDC vai 24VDC sistēmas aizmugures barošanas blokiem. Sistēmas līmenī šis aizmugurējās virsmas spriegums tiek vēl vairāk pazemināts līdz zemākiem sprieguma līmeņiem, kas nepieciešami atsevišķiem komponentiem.
2. attēls. Rūpnieciskās automatizācijas sistēmas barošanas avota arhitektūras daļa
Piemēram, PLC var sastāvēt no mikroprocesora, digitālā signālu procesora (DSP) un lauka{0}}programmējamā vārtu masīva (FPGA). Šīm ierīcēm ir nepieciešams sprieguma diapazons no 5 V līdz 1 V. Tomēr visam PLC var būt nepieciešama līdz 3,5 A strāva. Līdzīgi daudzkanālu analogiem I/O moduļiem ir nepieciešami ±15 V un 5 V barošanas avoti dažādiem pastiprinātājiem, analogajiem{10}}digitālajiem pārveidotājiem (ADC) un multipleksoriem (MUX) ar strāvu līdz 500 mA.
Lai situāciju vēl vairāk sarežģītu, dizaineriem ir jāņem vērā pārejoši sprieguma lēcieni ("pārspriegumi"), kas var ietekmēt barošanas avota piegādi, piemēram, zibens spērieni elektroenerģijas sadales tīklā vai strauja smago slodžu pārslēgšana, kam ir viena strāvas ķēde ar rūpnieciskās automatizācijas sistēmām. Sprieguma lēcieni var rasties arī pašā barošanas avota arhitektūrā, piemēram, kad barošanas avota moduļi samazina barošanas spriegumu līdz 12 V līdzstrāvai vai 24 V līdzstrāvai, jo īpaši, ja tiek izmantotas slēdža režīma ierīces.
Šie pārsprieguma gadījumi ir tik izplatīti, ka tādas organizācijas kā Starptautiskā elektrotehniskā komisija (IEC) iesaka inženieriem izstrādāt sistēmas, lai tās izturētu. Piemēram, IEC 60664 attiecas uz izolācijas koordināciju zemsprieguma (1 kVAC un 1,5 kV līdzstrāvas) sistēmās, norādot, ka “II klases” iekārtām (tostarp rūpnieciskajā automatizācijā izmantotajiem veidiem), ko darbina 24 V līdzstrāva, kas iegūta no elektrotīkla, jābūt izstrādātām tā, lai tās izturētu pārspriegumu līdz 60 V.
DC-Līdzstrāvas sprieguma regulēšanas pamati
Līdzstrāvas-līdzstrāvas sprieguma pārveidošana (jeb "regulēšana") ir liels bizness, un pusvadītāju piegādātāji ir ieguldījuši lielus ieguldījumus, lai izstrādātu plašu produktu klāstu visiem lietojumiem. Ierīces ir iedalītas divās grupās: zemas -dropout regulatori (LDO), kas pazīstami arī kā lineārie regulatori; un pārslēgšanas regulatori.
Ja pārslēgšanas regulatori ir rūpīgi saskaņoti ar lietojumprogrammas darbības parametriem, tie parasti piedāvā augstāku efektivitāti plašā ieejas sprieguma diapazonā, salīdzinot ar LDO. Turklāt pārslēgšanas regulatori var viegli palielināt ("solis-uz augšu"), samazināt ("solis-uz leju") un invertēt spriegumus. (Ņemiet vērā, ka noteiktām rūpnieciskās automatizācijas sistēmu barošanas bloku daļām ir nepieciešams apgriezts spriegums. Turpretim LDO var tikai maksāt.)
Salīdzinājumā ar vienkāršo un lietotājam draudzīgo-LDO, pārslēgšanas regulatoriem ir viens trūkums: to dizains ir sarežģītāks. Tas ir tāpēc, ka ir nepieciešama izejas filtrēšana, lai mazinātu sprieguma un strāvas pulsāciju, ko rada augstas-frekvences pārslēgšanas darbības. Tas var radīt problēmas ar jutīgām mikroshēmām un radīt elektromagnētiskos traucējumus (EMI). Neskatoties uz to, inženieri, kas izstrādā daudzas mūsdienu lietojumprogrammas, arvien vairāk dod priekšroku pārslēgšanas regulatoriem.
Galvenais, kā darbojas komutācijas regulatori, ir metāla -oksīda-pusvadītāju lauka-efekta tranzistoru (MOSFET) izmantošana kā komutācijas ierīces. Kad MOSFET ir ieslēgts, strāva plūst gan uz slodzi, gan uz ārējo induktors, kas uzglabā enerģiju. Kad MOSFET ir izslēgts, induktors nodrošina slodzei uzkrāto enerģiju.
Impulsa platuma modulāciju (PWM) parasti izmanto, lai kontrolētu izejas spriegumu. Frekvence paliek nemainīga, savukārt impulsa platums ("ieslēgšanās-laiks") tiek noregulēts, lai nodrošinātu vēlamo spriegumu. Regulatora augstfrekvences pārslēgšanās samazina sistēmas zudumus, vienlaikus saglabājot relatīvi stabilu sprieguma izvadi dažādos ieejas un slodzes apstākļos.
Asinhronās topoloģijas komutācijas regulatorā (3. attēls) enerģija, kas tiek uzkrāta induktorā un pēc tam tiek pārnesta uz slodzi MOSFET izslēgšanas cikla laikā, neplūst tieši uz slodzi. Tā vietā tas tiek izplatīts caur ārēju Šotkija diodi. Ja induktors ir izvēlēts atbilstoši paredzamajai slodzei, pārslēgšanas regulators darbosies nepārtrauktas vadīšanas režīmā, nodrošinot stabilu regulēšanu.
3. attēls. Asinhronā buck regulatora ķēde.
Šāda veida komutācijas regulatora galīgo efektivitāti galvenokārt nosaka divi faktori: ārējās Šotki diodes tiešā sprieguma kritums un ierīces reversās noplūdes strāvas raksturlielumi. Mūsdienu ierīcēs tiešā sprieguma kritums tuvojas aptuveni 0,3 V robežai. Tas var šķist maz, bet tas rada nepārtrauktu enerģijas patēriņu un samazinātu efektivitāti.
Šotkija diožu aizstāšana ar MOSFET uzlabo efektivitāti, jo tranzistoru ieslēgšanas pretestību (Ron) var samazināt, izmantojot progresīvas ražošanas metodes, kā rezultātā tiešais spriegums (un zudumi) ir zemāks nekā oriģinālajām diodēm. Abiem MOSFET šajā ķēdē jādarbojas sinhroni, vienam vadošam, bet otram bloķējot. (Skatiet 4. attēlu.)
4. attēls. Sinhronā buck regulatora ķēde.
Modulī var integrēt tā -sinhronā regulatora otro MOSFET. Papildus tam, ka tiek novērsta nepieciešamība pēc ārējās Šotkija diodes, tas vienkāršo ķēdes dizainu un samazina materiālu rēķinu (BOM).
Sinhronā regulatora konstrukcijas blakusparādība ir tāda, ka strāva plūst divvirzienu induktorā divu MOSFET pārslēgšanas darbības dēļ (ti, dubulto induktora zudumu dēļ). Tas ir pretrunā ar vienvirziena plūsmu asinhronajos veidos. Sinhronajos regulatoros zudumi parasti ir nelieli, bet pie mazākām slodzēm ierīces efektivitāte var būt zemāka nekā līdzvērtīgiem asinhronajiem veidiem, kā rezultātā rodas lielāki zudumi.
Lielākie pusvadītāju piegādātāji ir novērsuši šo trūkumu, izmantojot dažādas tehnoloģijas. Piemēram, Maxim Integrated ir ieviesis virkni augstsprieguma sinhrono regulatoru, piemēram, MAX17503, kam ir MODE funkcija, kas ļauj ierīcei darboties trīs atlasāmos režīmos: PWM, impulsa frekvences modulācija (PFM) un nepārtrauktas vadīšanas režīms (DCM). PWM tiek izmantots normālai darbībai. PFM uzlabo efektivitāti pie mazākām slodzēm, novēršot reversās induktivitātes strāvu un izlaižot impulsus. DCM arī novērš reversās induktivitātes strāvu, lai uzlabotu efektivitāti pie zemākām slodzēm, bet neizlaiž impulsus. Tas padara DCM piemērotu frekvences{7}}jutīgām lietojumprogrammām.
Kopsavilkums
Augsta-sprieguma, lielas-izejas strāvas sinhronie regulatori apmierina pieprasījumu pēc kompaktiem, efektīviem un viegli-konstruējamiem-barošanas moduļiem rūpnieciskajā automatizācijā. Rūpnieciskās barošanas avota problēmu ir veicinājuši vairāki faktori, taču tagad ir pieejama augsta sprieguma sinhronā regulatora arhitektūra, kas atbilst visām prasībām. Lai gan pašreizējā piemēroto komponentu izvēle ir ierobežota, klāsts turpina paplašināties, lai atbilstu visām līdzstrāvas -līdzstrāvas sprieguma pārveidošanas prasībām tipiskām sistēmām, kuru jauda svārstās no simtiem miliampēru līdz vairākiem ampēriem. 2. daļā mēs apspriedīsim, kā jauni jauninājumi sinhronajos regulatoros var palīdzēt risināt enerģijas patēriņa problēmas