Projektanci systemów automatyki przemysłowej stają przed coraz większą liczbą wyzwań. Montaż takiego sprzętu w szafach prowadzi do zwiększenia rozmiaru i ograniczeń termicznych. W trudnych warunkach przemysłowych wrażliwy sprzęt elektroniczny wymaga ściśle regulowanych napięć, a klienci wymagają wyższej wydajności i funkcjonalności. W pierwszej części tej-serii przyjrzymy się sprzecznym wymaganiom stawianym zasilaczom przemysłowym oraz-kompromisom związanym z powszechnymi rozwiązaniami.
Wstęp
Projektowanie systemów automatyki przemysłowej stawia przed nami wyjątkowe wyzwania. Tak naprawdę jest to historia sprzecznych żądań. Wprowadzenie tanich-szaf modułowych do przechowywania komponentów systemu, takich jak programowalne sterowniki logiczne (PLC) i moduły we/wy, nałożyło poważne ograniczenia przestrzenne i termiczne na inżynierów i rozwiązania. Wyzwania te dodatkowo komplikują konieczność zapewnienia wysoce niezawodnej pracy w trudnych warunkach, podatnych na brud, wilgoć i wibracje.
Ponadto klienci oczekują zwiększonej funkcjonalności w kolejnych generacjach systemów automatyki, a wszystko to bez zwiększania zużycia energii, rozmiaru urządzenia, wytwarzania ciepła lub kosztów. Taka zwiększona funkcjonalność często opiera się na postępie technologii elektronicznej, ale często wiąże się z kosztami: bardziej rygorystycznymi tolerancjami mocy i skokami poziomów napięcia, które muszą pozostać stabilne pomimo niedoskonałych źródeł zasilania.
Inżynierowie nie chcą jednak tracić cennego czasu na projektowanie zasilacza, który pozostaje niezauważony przez klientów i często jest uważany za marnowanie cennej przestrzeni. Zamiast tego inżynierowie wolą skupić się na cechach, które wyraźnie odróżniają ich systemy automatyki od konkurencji.
Dostawcy półprzewodników odpowiedzieli na sprzeczne wymagania projektantów systemów automatyki przemysłowej wprowadzając moduły integrujące wiele kluczowych funkcji zasilania w jednym urządzeniu. Jednakże moduły zaprojektowane do zasilania z zasilaczy 12, 24 lub 48 VDC stosowane w systemach automatyki przemysłowej muszą być chronione zaciskami napięciowymi lub wykorzystywać technologię przełączania asynchronicznego, aby wytrzymać skoki napięcia, które nękają główny zasilacz. Obydwa rozwiązania skutkują większymi, droższymi i mniej wydajnymi systemami zasilania-dokładnie tego, czego inżynierowie systemów starają się unikać.
Niniejsza nota aplikacyjna stanowi pierwszą część naszej-serii składającej się z dwóch części poświęconych przemysłowym regulatorom sterującym. Omawiamy tutaj przemysłowe architektury sterowania i ich unikalne architektury zasilania, które stanowią wyzwania projektowe. W drugiej części tej serii omówimy następną generację urządzeń zasilających, które wykorzystują najnowsze technologie produkcji krzemu w połączeniu z innowacyjnymi konstrukcjami chipów.
Architektury sterowania przemysłowego
Chociaż napięcie 24 V prądu stałego stało się de facto napięciem w większości zastosowań sterowania przemysłowego (zwłaszcza tych wykorzystujących sterowniki PLC), powszechne jest również napięcie 12 V prądu stałego, zwykle jako napięcie podtrzymania akumulatora lub dostarczane z alternatywnych źródeł energii, takich jak panele fotowoltaiczne (PV). Niedawne wprowadzenie technologii Power over Ethernet (PoE) zachęciło także producentów automatyki przemysłowej do projektowania urządzeń zasilanych napięciem 48 V DC określonym w tym standardzie. Typowy przemysłowy system sterowania wykorzystujący zasilacz 24VDC pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1. Typowy przemysłowy system sterowania.
System obejmuje moduły we/wy służące do odbierania informacji z czujników lub wysyłania poleceń do siłowników, wielo-kanałowe wejścia cyfrowe, wielo-kanałowe wejścia i wyjścia analogowe, funkcje komunikacyjne oraz procesor (CPU) połączony magistralą cyfrową. Sterowniki PLC zazwyczaj zapewniają moc obliczeniową. Zasilanie jest dostarczane z sieci elektrycznej, obniżane do 24 V prądu stałego i rozprowadzane za pośrednictwem płyty montażowej.
Po bliższym zbadaniu zasilania systemu staje się oczywiste, że złożoność wzrasta ze względu na różne poziomy napięcia i prądu wymagane przez różne elementy systemu. Rysunek 2 ilustruje niewielką część architektury zasilacza. Zasilanie główne 120VAC/230VAC jest początkowo redukowane przy użyciu przemysłowych modułów mocy do standardowych zasilaczy systemowych 12VDC lub 24VDC. Na poziomie systemu napięcie na płycie montażowej jest dalej obniżane do niższych poziomów napięcia wymaganych przez poszczególne komponenty.
Rysunek 2. Część architektury zasilania systemu automatyki przemysłowej
Na przykład sterownik PLC może składać się z mikroprocesora, cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) i tablicy bramek programowalnych przez użytkownika (FPGA). Urządzenia te wymagają napięcia z zakresu od 5 V do 1 V. Jednakże cały sterownik PLC może wymagać prądu o natężeniu do 3,5 A. Podobnie wielo-analogowe moduły we/wy wymagają zasilaczy ±15 V i 5 V dla różnych wzmacniaczy, przetworników analogowo-na-cyfrowy (ADC) i multiplekserów (MUX) o prądzie do 500 mA.
Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, projektanci muszą wziąć pod uwagę przejściowe skoki napięcia („przepięcia”), które mogą mieć wpływ na dostawę energii w wyniku takich zdarzeń, jak uderzenia pioruna w sieć dystrybucyjną lub szybkie przełączanie dużych obciążeń współdzielących ten sam obwód zasilania z systemami automatyki przemysłowej. Skoki napięcia mogą również wystąpić w samej architekturze zasilacza, na przykład gdy moduły zasilacza obniżają napięcie zasilania do 12 V lub 24 V prądu stałego, szczególnie w przypadku korzystania z urządzeń typu-w trybie przełączania.
Te zdarzenia przepięciowe są tak powszechne, że organizacje takie jak Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) zalecają inżynierom zaprojektowanie systemów tak, aby je wytrzymały. Na przykład norma IEC 60664 dotyczy koordynacji izolacji w systemach niskiego-napięcia (1 kVAC i 1,5 kVDC), stwierdzając, że sprzęt „klasy II” (w tym typy stosowane w automatyce przemysłowej) zasilany napięciem 24 prądu stałego pochodzącym z sieci powinien być zaprojektowany tak, aby wytrzymywał przepięcia do 60 V.
DC-Podstawy regulacji napięcia stałego
DC-Konwersja napięcia DC (lub „regulacja”) to duży biznes, a dostawcy półprzewodników poczynili znaczne inwestycje w rozwój szerokiej gamy produktów do wszystkich zastosowań. Urządzenia dzielą się na dwie grupy: regulatory niskiego-przerwania (LDO), znane również jako regulatory liniowe; i regulatory przełączające.
Po dokładnym dopasowaniu do charakterystyki roboczej aplikacji, regulatory przełączające zazwyczaj oferują wyższą wydajność w szerokim zakresie napięcia wejściowego w porównaniu z LDO. Dodatkowo regulatory przełączające mogą z łatwością zwiększać („podwyższać-”), obniżać („zmniejszać-”) i odwracać napięcie. (Należy pamiętać, że niektóre części zasilaczy systemów automatyki przemysłowej wymagają odwróconych napięć. W przeciwieństwie do tego, LDO mogą jedynie obniżać napięcie.)
W porównaniu z prostym i{0}przyjaznym użytkownikowi LDO, regulatory przełączające mają jedną wadę: ich konstrukcja jest bardziej złożona. Dzieje się tak, ponieważ filtrowanie wyjściowe jest wymagane w celu tłumienia tętnienia napięcia i prądu generowanego przez operacje przełączania-wysokiej częstotliwości. Może to powodować problemy z wrażliwymi chipami i generować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Mimo to inżynierowie projektujący wiele współczesnych aplikacji coraz częściej faworyzują regulatory przełączające.
Kluczem do działania regulatorów przełączających jest zastosowanie metalowych{{0}tlenków-półprzewodników-tranzystorów polowych (MOSFET) jako urządzeń przełączających. Gdy MOSFET jest włączony, prąd przepływa zarówno do obciążenia, jak i do zewnętrznej cewki indukcyjnej, która magazynuje energię. Gdy MOSFET jest wyłączony, cewka dostarcza zgromadzoną energię do obciążenia.
Modulacja szerokości impulsu (PWM) jest zwykle używana do sterowania napięciem wyjściowym. Częstotliwość pozostaje stała, natomiast szerokość impulsu („czas- włączenia”) jest dostosowywana w celu zapewnienia pożądanego napięcia. Przełączanie wysokiej-częstotliwości regulatora minimalizuje straty w systemie, utrzymując jednocześnie względnie stabilne napięcie wyjściowe w całym zakresie warunków wejściowych i obciążenia.
W regulatorze przełączającym o topologii asynchronicznej (rysunek 3) energia zgromadzona w cewce indukcyjnej, a następnie przekazana do obciążenia podczas cyklu wyłączania MOSFET-u, nie przepływa bezpośrednio do obciążenia. Zamiast tego jest propagowany przez zewnętrzną diodę Schottky'ego. Jeżeli cewkę dobierzemy odpowiednio do oczekiwanego obciążenia, regulator przełączający będzie pracował w trybie przewodzenia ciągłego, zapewniając stabilną regulację.
Rysunek 3. Obwód asynchronicznego regulatora buck.
Ostateczna wydajność tego typu regulatora przełączającego zależy przede wszystkim od dwóch czynników: spadku napięcia w kierunku przewodzenia zewnętrznej diody Schottky'ego i charakterystyki prądu upływu wstecznego urządzenia. W nowoczesnych urządzeniach spadek napięcia w kierunku przewodzenia zbliża się do granicy około 0,3 V. To może nie wydawać się dużo, ale skutkuje ciągłym zużyciem energii i zmniejszoną wydajnością.
Zastąpienie diod Schottky'ego tranzystorami MOSFET zwiększa wydajność, ponieważ-rezystancję włączenia (Ron) tranzystorów można zmniejszyć przy użyciu zaawansowanych technik produkcyjnych, co skutkuje niższym napięciem przewodzenia (i stratami) w porównaniu z oryginalnymi diodami. Dwa tranzystory MOSFET w tym obwodzie muszą działać synchronicznie, przy czym jeden przewodzi, a drugi blokuje. (Patrz rysunek 4.)
Rysunek 4. Obwód synchronicznego regulatora buck.
W module można zintegrować drugi MOSFET-tak zwanego regulatora synchronicznego. Oprócz wyeliminowania potrzeby stosowania zewnętrznej diody Schottky'ego upraszcza to projektowanie obwodów i zmniejsza zestawienie materiałów (BOM).
Skutkiem ubocznym konstrukcji regulatora synchronicznego jest to, że prąd płynie w cewce dwukierunkowo w wyniku operacji przełączania dwóch tranzystorów MOSFET (tj. podwojonych strat w cewce). Kontrastuje to z przepływem jednokierunkowym w typach asynchronicznych. W regulatorach synchronicznych straty są zazwyczaj małe, ale przy niższych obciążeniach sprawność urządzenia może być niższa niż w przypadku równoważnych typów asynchronicznych, co skutkuje większymi stratami.
Główni dostawcy półprzewodników zajęli się tą wadą, stosując różne technologie. Na przykład firma Maxim Integrated wprowadziła serię synchronicznych regulatorów-wysokonapięciowego, takich jak MAX17503, wyposażonych w funkcję MODE, która umożliwia pracę urządzenia w trzech trybach do wyboru: PWM, modulacja częstotliwości impulsów (PFM) i tryb przewodzenia nieciągłego (DCM). PWM służy do normalnej pracy. PFM poprawia wydajność przy niższych obciążeniach, eliminując prąd indukcyjny wsteczny i pomijając impulsy. DCM eliminuje również prąd indukcyjności wstecznej, aby poprawić wydajność przy niższych obciążeniach, ale nie pomija impulsów. Dzięki temu DCM nadaje się do zastosowań-wrażliwych na częstotliwość.
Streszczenie
Synchroniczne regulatory wysokiego-napięcia i{1}}wysokiej mocy wyjściowej spełniają zapotrzebowanie na kompaktowe, wydajne i łatwe--projektowanie modułów mocy w automatyce przemysłowej. Na wyzwanie związane z dostawami energii przemysłowej złożyło się kilka czynników, ale obecnie dostępna jest architektura synchronicznego regulatora wysokiego napięcia-, która spełnia wszystkie wymagania. Chociaż obecny wybór odpowiednich komponentów jest ograniczony, asortyment stale się poszerza, aby spełnić wszystkie wymagania dotyczące konwersji napięcia DC-DC dla typowych systemów, z mocą wyjściową w zakresie od setek miliamperów do kilku amperów. W części 2 omówimy, w jaki sposób nowe innowacje w regulatorach synchronicznych mogą pomóc w rozwiązaniu problemów związanych ze zużyciem energii