Tööstusautomaatikasüsteemide projekteerijad seisavad silmitsi üha suurema hulga väljakutsetega. Selliste seadmete paigaldamine riiulitele suurendab suurust ja termilisi piiranguid. Karmides tööstuskeskkondades nõuavad tundlikud elektroonikaseadmed rangelt reguleeritud pinget ning kliendid nõuavad suuremat jõudlust ja funktsionaalsust. Selle kahe -osalise seeria 1. osas uurime vastuolulisi nõudmisi tööstuslikele toiteallikatele ja tavaliste lahendustega seotud kompromisse.
Sissejuhatus
Tööstusautomaatikasüsteemide projekteerimine esitab ainulaadseid väljakutseid. Tegelikult on see lugu vastuolulistest nõudmistest. Odavate -modulaarsete riiulite kasutuselevõtt süsteemikomponentide (nt programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC) ja I/O-moodulid) majutamiseks on seadnud inseneridele ja lahendustele suuri ruumi- ja termilisi piiranguid. Neid väljakutseid muudab veelgi keerulisemaks vajadus tagada väga töökindel töö karmis keskkonnas, mis on vastuvõtlik mustusele, niiskusele ja vibratsioonile.
Lisaks ootavad kliendid järgmiste põlvkondade automatiseerimissüsteemide täiustatud funktsionaalsust, ilma et see suurendaks energiatarbimist, seadme suurust, soojuse tootmist või kulusid. Selline täiustatud funktsionaalsus põhineb sageli elektroonikatehnoloogia edusammudel, kuid sellel on sageli oma hind: rangemad võimsustolerantsid ja pingetaseme tõusud, mis peavad jääma stabiilseks vaatamata ebatäiuslikele toiteallikatele.
Insenerid ei taha aga kulutada väärtuslikku projektiaega klientidele märkamatuks jääva toiteploki projekteerimisele, mida sageli peetakse väärtusliku ruumi raiskamiseks. Selle asemel eelistavad insenerid keskenduda funktsioonidele, mis eristavad selgelt nende automatiseerimissüsteeme konkurentidest.
Pooljuhtide tarnijad on vastanud tööstusautomaatikasüsteemide projekteerijate vastandlikele nõudmistele, võttes kasutusele moodulid, mis integreerivad paljud peamised toiteallika funktsioonid ühte seadmesse. Tööstusautomaatikasüsteemides kasutatavad moodulid, mis on kavandatud töötama 12, 24 või 48 V alalisvoolu toiteallikaga, peavad aga olema kaitstud pingeklambritega või kasutama asünkroonset lülitustehnoloogiat, et taluda peamist toiteallikat häirivaid pinge hüppeid. Mõlema lahenduse tulemuseks on suuremad, kallimad ja vähem tõhusad toitesüsteemid,{5}}täpselt see, mida süsteemiinsenerid püüavad vältida.
See rakendusmärkus on 1. osa meie kahest -osalisest seeriast, mis käsitlevad tööstuslikke juhtimisregulaatoreid. Siin käsitleme tööstusjuhtimisarhitektuure ja nende ainulaadseid toiteallika arhitektuure, mis kujutavad endast disainiprobleeme. Selle seeria 2. osas käsitleme järgmise põlvkonna toiteseadmeid, mis kasutavad uusimaid räni tootmistehnoloogiaid koos uuenduslike kiipide disainiga.
Tööstusliku juhtimisarhitektuurid
Kuigi 24 V alalisvoolust on saanud de facto pinge enamiku tööstuslike juhtimisrakenduste jaoks (eriti nende puhul, mis kasutavad PLC-sid), on levinud ka 12 V alalisvool, tavaliselt aku varupingena või alternatiivsetest energiaallikatest, nagu fotogalvaanilised (PV) paneelid. Power over Ethernet (PoE) hiljutine kasutuselevõtt on samuti julgustanud tööstusautomaatika tootjaid kavandama seadmeid, mis töötavad selle standardiga määratud 48 V alalisvoolu toiteallikaga. Tüüpiline tööstuslik juhtimissüsteem, mis kasutab 24 V alalisvoolu toiteallikat, on näidatud joonisel 1.
Joonis 1. Tüüpiline tööstuslik juhtimissüsteem.
Süsteem sisaldab sisend- ja väljundmooduleid anduritelt teabe vastuvõtmiseks või täiturmehhanismidele käskude saatmiseks, mitme-kanaliga digitaalsisendid, mitme-kanaliga analoogsisendid ja -väljundid, sidefunktsioonid ja digitaalse siini kaudu ühendatud protsessor (CPU). PLC-d pakuvad tavaliselt arvutusvõimsust. Toide saadakse vooluvõrgust, 24 V alalisvooluni ja jaotatakse tagaplaadi kaudu.
Süsteemi toiteallikat lähemalt uurides selgub, et keerukus suureneb erinevate süsteemikomponentide poolt nõutavate pinge- ja voolutasemete muutumise tõttu. Joonis 2 illustreerib väikest osa toiteallika arhitektuurist. 120VAC/230VAC põhitoiteallikat vähendatakse algselt tööstuslike toitemoodulite abil standardsete 12VDC või 24VDC süsteemi tagaplaani toiteallikateni. Süsteemi tasandil alandatakse seda tagaplaadi pinget veelgi madalamale pingetasemele, mida nõuavad üksikud komponendid.
Joonis 2. Osa tööstusautomaatikasüsteemi toiteploki arhitektuurist
Näiteks võib PLC koosneda mikroprotsessorist, digitaalsest signaaliprotsessorist (DSP) ja välja{0}}programmeeritavast värava massiivist (FPGA). Need seadmed vajavad pingevahemikku 5 V kuni 1 V. Kogu PLC võib aga vajada kuni 3,5A voolu. Sarnaselt vajavad mitme kanaliga analoogsisendi-/väljundmoodulid ±15 V ja 5 V toiteallikaid erinevate võimendite, analoog{10}}digitaalmuundurite (ADC-de) ja multiplekserite (MUX) jaoks vooluga kuni 500 mA.
Asja veelgi keerulisemaks muutmiseks peavad disainerid arvestama mööduva pinge hüppega ("liigpinged"), mis võivad mõjutada toiteallika tarnimist selliste sündmuste kaudu nagu pikselöögid elektrijaotusvõrgus või raskete koormuste kiire ümberlülitamine, mis jagavad sama toiteahelat tööstusautomaatikasüsteemidega. Pinge hüppeid võib esineda ka toiteallika arhitektuuris endas, näiteks kui toiteallika moodulid vähendavad toitepinge 12 V alalisvoolu või 24 V alalisvooluni, eriti lülitusrežiimi tüüpi seadmete kasutamisel.
Need ülepinge sündmused on nii tavalised, et sellised organisatsioonid nagu Rahvusvaheline Elektrotehnikakomisjon (IEC) soovitavad inseneridel oma süsteemid neile vastu pidada. Näiteks IEC 60664 käsitleb isolatsiooni koordineerimist madalpinge (1 kVAC ja 1,5 kV alalisvoolu) süsteemides, märkides, et "Class II" seadmed (sealhulgas tööstusautomaatikas kasutatavad tüübid), mille toiteallikaks on 24 V alalisvool võrgust, peaksid olema projekteeritud taluma kuni 60 V ülepingeid.
DC-Alalispinge reguleerimise põhitõed
DC-Alalispinge muundamine (ehk "regulatsioon") on suur äri ja pooljuhtide tarnijad on investeerinud palju kõigi rakenduste jaoks mõeldud laia tootevaliku väljatöötamisse. Seadmed jagunevad kahte rühma: madala -languse regulaatorid (LDO-d), mida tuntakse ka kui lineaarseid regulaatoriid; ja lülitusregulaatorid.
Kui lülitusregulaatorid on hoolikalt kohandatud rakenduse tööomadustega, pakuvad need tavaliselt suuremat efektiivsust laias sisendpingevahemikus võrreldes LDO-dega. Lisaks saavad lülitusregulaatorid pingeid hõlpsalt tõsta ("samm-üles"), buck ("samm-alla") ja inverteerida. (Pange tähele, et tööstusautomaatikasüsteemide toiteallikate teatud osad nõuavad ümberpööratud pinget. Seevastu LDO-d saavad ainult maksta.)
Võrreldes lihtsa ja{0}}kasutajasõbraliku LDO-ga, on lülitusregulaatoritel üks puudus: nende disain on keerulisem. Selle põhjuseks on asjaolu, et kõrge sagedusega -lülitusoperatsioonide tekitatud pinge ja voolu pulsatsiooni summutamiseks on vaja väljundi filtreerimist. See võib põhjustada probleeme tundlike kiipide jaoks ja tekitada elektromagnetilisi häireid (EMI). Sellest hoolimata eelistavad paljusid kaasaegseid rakendusi kavandavad insenerid üha enam lülitusregulaatoreid.
Lülitusregulaatorite toimimise võtmeks on metall{0}}oksiid-pooljuhtvälja-efekttransistoride (MOSFET) kasutamine lülitusseadmetena. Kui MOSFET on sisse lülitatud, liigub vool nii koormusele kui ka välisele induktiivpoolile, mis salvestab energiat. Kui MOSFET on välja lülitatud, annab induktiivpool koormusele salvestatud energiat.
Väljundpinge juhtimiseks kasutatakse tavaliselt impulsi laiuse modulatsiooni (PWM). Sagedus jääb konstantseks, samal ajal kui impulsi laiust ("sisselülitusaega"-) reguleeritakse soovitud pinge tagamiseks. Regulaatori kõrgsageduslik -lülitus minimeerib süsteemis kaod, säilitades samal ajal suhteliselt stabiilse pingeväljundi erinevates sisend- ja koormustingimustes.
Asünkroonse topoloogia lülitusregulaatoris (joonis 3) ei voola MOSFETi väljalülitustsükli ajal induktiivpoolisse salvestatud ja seejärel koormusele üle kantud energia otse koormusele. Selle asemel levitatakse seda välise Schottky dioodi kaudu. Kui induktiivpool valitakse eeldatava koormuse järgi, töötab lülitusregulaator pideva juhtivuse režiimis, tagades stabiilse reguleerimise.
Joonis 3. Asünkroonse buck regulaatori ahel.
Seda tüüpi lülitusregulaatori ülima efektiivsuse määravad eelkõige kaks tegurit: välise Schottky dioodi päripinge langus ja seadme vastupidise lekkevoolu omadused. Kaasaegsetes seadmetes läheneb päripinge langus ligikaudu 0,3 V piirile. See ei pruugi tunduda palju, kuid see toob kaasa pideva energiatarbimise ja vähenenud tõhususe.
Schottky dioodide asendamine MOSFET-idega parandab tõhusust, kuna transistoride sisse{0}}takistust (Ron) saab täiustatud tootmistehnikate abil vähendada, mille tulemuseks on madalamad päripinged (ja kaod) kui originaaldioodidel. Selle ahela kaks MOSFET-i peavad töötama sünkroonselt, üks juhtiv ja teine blokeerides. (Vt joonist 4.)
Joonis 4. Sünkroonse buck regulaatori ahel.
Moodulisse saab integreerida niinimetatud{0}}sünkroonregulaatori teise MOSFET-i. Lisaks välise Schottky dioodi vajaduse kaotamisele lihtsustab see vooluringi projekteerimist ja vähendab materjalikulu (BOM).
Sünkroonse regulaatori konstruktsiooni kõrvalmõju on see, et vool voolab induktiivpoolis kahesuunaliselt kahe MOSFET-i lülitusoperatsiooni tõttu (st kahekordistunud induktiivkaod). See on vastuolus asünkroonsete tüüpide ühesuunalise vooluga. Sünkroonregulaatorites on kaod tavaliselt väikesed, kuid väiksemate koormuste korral võib seadme efektiivsus olla madalam kui samaväärsetel asünkroonsetel tüüpidel, mille tulemuseks on suuremad kaod.
Suured pooljuhtide tarnijad on selle puudusega tegelenud erinevate tehnoloogiate abil. Näiteks Maxim Integrated on kasutusele võtnud rea kõrgepinge sünkroonregulaatoreid, nagu MAX17503, millel on MODE-funktsioon, mis võimaldab seadmel töötada kolmes valitavas režiimis: PWM, impulsi sagedusmodulatsioon (PFM) ja katkendliku juhtivuse režiim (DCM). PWM-i kasutatakse normaalseks tööks. PFM parandab efektiivsust madalamatel koormustel, kõrvaldades induktiivvoolu pöördvoolu ja jättes vahele impulsse. DCM välistab ka vastupidise induktiivsuse voolu, et parandada efektiivsust madalamatel koormustel, kuid ei jäta impulsse vahele. See muudab DCM-i sobivaks sagedus{7}}tundlike rakenduste jaoks.
Kokkuvõte
Kõrge-pinge ja suure-väljundvoolu sünkroonregulaatorid vastavad nõudlusele kompaktsete, tõhusate ja hõlpsasti-konstrueeritavate-toitemoodulite järele tööstusautomaatikas. Tööstusliku toiteallika väljakutsele on kaasa aidanud mitmed tegurid, kuid kõrgepinge sünkroonregulaatori arhitektuur on nüüd saadaval kõigi nõuete täitmiseks. Kuigi praegune sobivate komponentide valik on piiratud, laieneb valik jätkuvalt, et rahuldada kõiki alalisvoolu -alalispinge muundamise nõudeid tüüpiliste süsteemide jaoks, mille väljundvõimsus ulatub sadadest milliamprist kuni mitme amprini. 2. osas arutame, kuidas sünkroonregulaatorite uued uuendused võivad aidata lahendada energiatarbimise probleeme