Teollisuuden automaatiojärjestelmien suunnittelijat kohtaavat yhä enemmän haasteita. Tällaisten laitteiden asentaminen telineisiin johtaa kokoon ja lämpörajoituksiin. Ankarissa teollisuusympäristöissä herkät elektroniset laitteet vaativat tiukasti säädeltyjä jännitteitä, ja asiakkaat vaativat parempaa suorituskykyä ja toimivuutta. Tämän kaksi{4}}osaisen sarjan osassa 1 tutkimme teollisten virtalähteiden ristiriitaisia vaatimuksia ja yleisiin ratkaisuihin liittyviä kompromisseja.
Johdanto
Teollisuuden automaatiojärjestelmien suunnittelu asettaa ainutlaatuisia haasteita. Itse asiassa se on tarina ristiriitaisista vaatimuksista. Edullisten -modulaaristen telineiden käyttöönotto järjestelmäkomponenttien, kuten ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (PLC) ja I/O-moduulien, sijoittamiseen on asettanut suuria tila- ja lämpörajoitteita suunnittelijoille ja ratkaisuille. Näitä haasteita mutkistaa entisestään tarve varmistaa erittäin luotettava toiminta ankarissa ympäristöissä, jotka ovat herkkiä lialle, kosteudelle ja tärinälle.
Lisäksi asiakkaat odottavat parannettua toimivuutta myöhemmissä automaatiojärjestelmien sukupolvissa ilman, että virrankulutus, laitteen koko, lämmöntuotanto tai kustannukset kasvavat. Tällainen parannettu toiminnallisuus perustuu usein elektroniikkatekniikan edistymiseen, mutta se maksaa usein: tiukemmat tehotoleranssit ja jännitetason ylitykset, joiden on pysyttävä vakaina epätäydellisistä virtalähteistä huolimatta.
Insinöörit eivät kuitenkaan halua käyttää arvokasta projektiaikaa sellaisen virtalähteen suunnitteluun, joka jää asiakkaille huomaamatta ja jota usein pidetään arvokkaan tilan tuhlauksena. Sen sijaan insinöörit keskittyvät mieluummin ominaisuuksiin, jotka erottavat heidän automaatiojärjestelmänsä selvästi kilpailijoista.
Puolijohdetoimittajat ovat vastanneet teollisuusautomaatiojärjestelmien suunnittelijoiden ristiriitaisiin vaatimuksiin tuomalla markkinoille moduuleja, jotka yhdistävät useita keskeisiä tehonsyöttötoimintoja yhdeksi laitteeksi. Teollisuusautomaatiojärjestelmissä käytettävien 12, 24 tai 48 VDC-virtalähteiden käyttöön suunnitellut moduulit on kuitenkin suojattava jännitepuristimilla tai niissä on käytettävä asynkronista kytkentätekniikkaa kestämään päävirtalähdettä vaivaavia jännitepiikkejä. Molemmat ratkaisut johtavat suurempiin, kalliimpiin ja vähemmän tehokkaisiin sähköjärjestelmiin,{5}}täsmälleen mitä järjestelmäsuunnittelijat yrittävät välttää.
Tämä hakemushuomautus on osa 1 kahdesta -osaisesta sarjasta, jotka koskevat teollisuuden ohjaussäätimiä. Täällä keskustellaan teollisista ohjausarkkitehtuureista ja niiden ainutlaatuisista teholähdearkkitehtuureista, jotka asettavat suunnitteluhaasteita. Tämän sarjan osassa 2 keskustelemme seuraavan sukupolven teholaitteista, jotka hyödyntävät uusimpia piivalmistustekniikoita yhdistettynä innovatiivisiin siruihin.
Teollisuuden ohjausarkkitehtuurit
Vaikka 24 VDC:stä on tullut de facto jännite useimmissa teollisissa ohjaussovelluksissa (erityisesti PLC:itä käyttävissä), 12 VDC on myös yleinen, tyypillisesti akun varajännitteenä tai vaihtoehtoisista energialähteistä, kuten aurinkosähköpaneeleista. Äskettäin käyttöön otettu Power over Ethernet (PoE) on myös rohkaissut teollisuusautomaatiovalmistajia suunnittelemaan laitteita, jotka saavat virtansa standardin määrittämästä 48 VDC virtalähteestä. Tyypillinen teollisuuden ohjausjärjestelmä, joka käyttää 24 VDC virtalähdettä, on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Tyypillinen teollisuuden ohjausjärjestelmä.
Järjestelmä sisältää I/O-moduuleja tiedon vastaanottamiseksi antureilta tai komentojen lähettämiseksi toimilaitteille, moni-digitaalitulot, moni-kanavaiset analogiset tulot ja lähdöt, viestintätoiminnot ja prosessorin (CPU), joka on linkitetty digitaalisen väylän kautta. PLC:t tarjoavat yleensä laskentatehoa. Virta syötetään verkkovirralla, alennetaan 24 VDC:iin ja jaetaan taustalevyn kautta.
Järjestelmän tehonsyöttöä tarkemmin tarkasteltaessa käy selväksi, että monimutkaisuus lisääntyy järjestelmän eri komponenttien vaatimien vaihtelevien jännite- ja virtatasojen vuoksi. Kuva 2 esittää pienen osan teholähdearkkitehtuurista. 120 VAC/230 VAC päävirtalähde on aluksi vähennetty teollisuuden tehomoduuleilla tavallisiin 12 VDC tai 24 VDC järjestelmän taustalevyn virtalähteisiin. Järjestelmätasolla tätä taustalevyn jännitettä alennetaan edelleen yksittäisten komponenttien vaatimille alemmille jännitetasoille.
Kuva 2. Osa teollisuusautomaatiojärjestelmän tehonsyöttöarkkitehtuuria
PLC voi esimerkiksi koostua mikroprosessorista, digitaalisesta signaaliprosessorista (DSP) ja kenttä{0}}ohjelmoitavasta porttiryhmästä (FPGA). Nämä laitteet vaativat 5 V - 1 V jännitealueen. Koko PLC voi kuitenkin vaatia jopa 3,5 A virtaa. Samoin monikanavaiset analogiset I/O-moduulit vaativat ±15 V:n ja 5 V:n teholähteet erilaisille vahvistimille, analogia--digitaalimuuntimille (ADC) ja multipleksereille (MUX), joiden virrat ovat jopa 500 mA.
Asian mutkistamiseksi suunnittelijoiden on otettava huomioon ohimenevät jännitepiikit ("ylijännitteet"), jotka voivat vaikuttaa virtalähteen toimitukseen tapahtumien, kuten sähkönjakeluverkon salamaniskujen tai raskaan kuorman nopean kytkennän kautta, jotka jakavat saman virtapiirin teollisuusautomaatiojärjestelmien kanssa. Jännitepiikkejä voi esiintyä myös itse virtalähdearkkitehtuurissa, esimerkiksi kun virtalähdemoduulit laskevat virtalähteen jännitteen 12 VDC:ksi tai 24 VDC:ksi, erityisesti käytettäessä kytkin-tilatyyppisiä laitteita.
Nämä ylijännitetapahtumat ovat niin yleisiä, että organisaatiot, kuten International Electrotechnical Commission (IEC) suosittelevat insinöörejä suunnittelemaan järjestelmänsä kestämään niitä. Esimerkiksi IEC 60664 käsittelee eristyskoordinaatiota pienjännitejärjestelmissä (1 kVAC ja 1,5 kVDC) ja toteaa, että "Class II" -laitteet (mukaan lukien teollisuusautomaatiossa käytettävät tyypit), jotka saavat virtansa verkkovirrasta 24 VDC:stä, tulee suunnitella kestämään jopa 60 V:n ylijännitteitä.
DC-DC-jännitteen säätelyn perusteet
DC-DC-jännitteen muuntaminen (tai "sääntely") on iso bisnes, ja puolijohdetoimittajat ovat investoineet voimakkaasti laajan tuotevalikoiman kehittämiseen kaikkiin sovelluksiin. Laitteet on jaettu kahteen ryhmään: matala-dropout-säätimet (LDO:t), jotka tunnetaan myös nimellä lineaariset säätimet; ja säätimien vaihto.
Kun kytkentäsäätimet sovitetaan huolellisesti sovelluksen toimintaominaisuuksiin, ne tarjoavat yleensä korkeamman hyötysuhteen laajalla tulojännitealueella kuin LDO:t. Lisäksi vaihtavat säätimet voivat helposti tehostaa ("vaihe-ylös"), pudottaa ("vaihe-alas") ja kääntää jännitteitä. (Huomaa, että tietyt teollisuusautomaatiojärjestelmän virtalähteiden osat vaativat käänteisiä jännitteitä. Sitä vastoin LDO:t voivat vain maksaa.)
Verrattuna yksinkertaiseen ja käyttäjäystävälliseen-LDO:hen, vaihtosäätimillä on yksi haittapuoli: niiden rakenne on monimutkaisempi. Tämä johtuu siitä, että lähtösuodatusta vaaditaan vaimentamaan suurtaajuisten -kytkentätoimintojen synnyttämää jännitteen ja virran aaltoilua. Tämä voi aiheuttaa ongelmia herkille siruille ja aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). Tästä huolimatta insinöörit, jotka suunnittelevat monia nykyaikaisia sovelluksia, suosivat yhä enemmän kytkentäsäätimiä.
Avain kytkentäsäätimien toimintaan on metalli-oksidi-puolijohdekenttä-efektitransistoreiden (MOSFET) käyttö kytkinlaitteina. Kun MOSFET on päällä, virta kulkee sekä kuormaan että ulkoiseen induktoriin, joka varastoi energiaa. Kun MOSFET on pois päältä, induktori antaa varastoidun energian kuormaan.
Pulssinleveysmodulaatiota (PWM) käytetään tyypillisesti lähtöjännitteen ohjaamiseen. Taajuus pysyy vakiona, kun taas pulssin leveys ("on-aika") säädetään antamaan haluttu jännite. Säätimen korkean taajuuden kytkentä minimoi järjestelmän häviöt säilyttäen samalla suhteellisen vakaan jännitteen ulostulon eri tulo- ja kuormitusolosuhteissa.
Asynkronisessa topologiassa kytkentäsäätimessä (kuva 3) induktoriin varastoitu ja sitten kuormaan siirretty energia MOSFETin poiskytkentäjakson aikana ei virtaa suoraan kuormaan. Sen sijaan se leviää ulkoisen Schottky-diodin kautta. Jos induktori valitaan odotetun kuormituksen mukaan, kytkentäsäädin toimii jatkuvassa johtotilassa, mikä tarjoaa vakaan säädön.
Kuva 3. Asynkroninen buck-säätimen piiri.
Tämän tyyppisen kytkentäsäätimen lopullinen hyötysuhde määräytyy ensisijaisesti kahdesta tekijästä: ulkoisen Schottky-diodin myötäsuuntaisesta jännitehäviöstä ja laitteen käänteisvuotovirran ominaisuuksista. Nykyaikaisissa laitteissa lähtöjännitepudotus lähestyy noin 0,3 V:n rajaa. Tämä ei ehkä vaikuta paljolta, mutta se johtaa jatkuvaan virrankulutukseen ja heikentyneeseen tehokkuuteen.
Schottky-diodien korvaaminen MOSFETeillä parantaa tehokkuutta, koska transistorien päälle{0}}resistanssia (Ron) voidaan pienentää edistyneillä valmistustekniikoilla, mikä johtaa alkuperäisiin diodeihin verrattuna pienempään myötäjännitteeseen (ja häviöihin). Tämän piirin kahden MOSFETin on toimittava synkronisesti siten, että toinen johtaa ja toinen estää. (Katso kuva 4.)
Kuva 4. Synkroninen buck-säätimen piiri.
Moduuliin voidaan integroida niinsanotun{0}}synkronisen säätimen toinen MOSFET. Sen lisäksi, että se eliminoi ulkoisen Schottky-diodin tarpeen, tämä yksinkertaistaa piirisuunnittelua ja vähentää materiaalikuluja (BOM).
Synkronisen säätimen suunnittelun sivuvaikutus on, että virta kulkee kaksisuuntaisesti kelassa kahden MOSFETin kytkentätoiminnon vuoksi (eli kaksinkertaiset kelan häviöt). Tämä eroaa yksisuuntaisesta virtauksesta asynkronisissa tyypeissä. Synkronisissa säätimissä häviöt ovat tyypillisesti pieniä, mutta pienemmällä kuormituksella laitteen hyötysuhde voi olla pienempi kuin vastaavien asynkronisten tyyppien, mikä johtaa suurempiin häviöihin.
Suuret puolijohdetoimittajat ovat korjanneet tämän haitan käyttämällä erilaisia teknologioita. Esimerkiksi Maxim Integrated on esitellyt sarjan korkeajännitteisiä synkronisia säätimiä, kuten MAX17503, joissa on MODE-toiminto, jonka avulla laite voi toimia kolmessa valittavissa olevassa tilassa: PWM, pulssitaajuusmodulaatio (PFM) ja epäjatkuva johtotila (DCM). PWM:ää käytetään normaaliin toimintaan. PFM parantaa tehokkuutta pienemmillä kuormilla eliminoimalla käänteisen induktanssivirran ja ohittamalla pulsseja. DCM eliminoi myös käänteisen induktanssivirran tehokkuuden parantamiseksi pienemmillä kuormilla, mutta ei ohita pulsseja. Tämä tekee DCM:stä sopivan taajuus{7}}herkkiin sovelluksiin.
Yhteenveto
Korkeajännitteiset, korkean Useat tekijät ovat vaikuttaneet teollisuuden tehonsyöttöhaasteeseen, mutta korkeajännitteinen synkroninen säädinarkkitehtuuri on nyt saatavilla kaikkiin vaatimuksiin. Vaikka sopivien komponenttien nykyinen valikoima on rajallinen, valikoima laajenee edelleen täyttääkseen kaikki DC-DC-jännitteen muunnosvaatimukset tyypillisille järjestelmille, joiden tehot vaihtelevat sadoista milliampeereista useisiin ampeeriin. Osassa 2 keskustelemme siitä, kuinka synkronisten säätimien uudet innovaatiot voivat auttaa vastaamaan virrankulutuksen haasteisiin