Endüstriyel otomasyon sistemleri tasarımcıları artan zorluklarla karşı karşıyadır. Bu tür ekipmanların raf montajı, artan boyut ve termal kısıtlamalara yol açabilir. Hassas elektronik ekipmanın sıkı bir şekilde düzenlenmiş voltajlar gerektirdiği sert endüstriyel ortamlarda, müşteriler daha yüksek performans ve işlevsellik gerektirir. Bu iki bölümlük dizinin 1. Bölümünde, endüstriyel güç kaynakları ve ortak çözümlerle ilişkili ödünleşmeler üzerindeki çelişkili talepleri araştıracağız.
giriiş
Endüstriyel otomasyon sistemi tasarımı benzersiz zorluklar sunar. Aslında, çelişkili taleplerin bir hikayesi. Programlanabilir Mantık Denetleyicileri (PLC'ler) ve G/Ç modülleri gibi ev sistemi bileşenlerine düşük maliyetli modüler rafların sunulması, mühendislere ve çözümlere ciddi alan ve termal kısıtlamalar yerleştirir. Bu zorluklar, kir, nem ve titreşime duyarlı sert ortamlarda oldukça güvenilir bir çalışma sağlama ihtiyacı ile birleşir.
Buna ek olarak, müşteriler, güç tüketimini, ekipman büyüklüğünü, ısı üretimini ve maliyetini artırmadan sonraki nesil otomasyon sistemlerinde gelişmiş işlevsellik beklemektedir. Bu tür geliştirmeler genellikle elektronikteki ilerlemelere dayanır, ancak genellikle bir fiyata gelir: daha sıkı güç toleransları ve mükemmel olmayan güç kaynaklarından gelerken sabit kalması gereken voltaj seviyelerindeki dalgalanmalar.
Bununla birlikte, mühendisler, müşteriler tarafından fark edilmeyen bir güç kaynağı tasarlamak için değerli proje zamanını harcamak istemezler ve genellikle değerli alan kaybı olarak kabul edilir. Bunun yerine, mühendis otomasyon sistemini rekabetten açıkça ayıran şeylere odaklanmayı tercih ediyor.
Yarı iletken tedarikçiler, bir güç kaynağının temel işlevlerinin çoğunu tek bir cihaza entegre eden modülleri tanıtarak endüstriyel otomasyon sistemi tasarımcılarının çelişkili ihtiyaçlarına yanıt verdiler. Bununla birlikte, endüstriyel otomasyon sistemleri tarafından kullanılan 12, 24 veya 48VDC malzemeleri ile güçlendirilecek şekilde tasarlanmış modüller, voltaj kelepçeleri ile korunmalı veya şebeke beslemesini rahatsız eden voltaj artışlarına dayanacak asenkron anahtarlama tekniklerini kullanmalıdır. Her iki çözüm de daha büyük, daha pahalı ve daha az verimli güç sistemleriyle sonuçlanır - tam olarak hangi sistem mühendislerinin kaçınmaya çalıştığı.
Bu uygulama notu, endüstriyel kontrol düzenleyicileri hakkındaki iki bölümlük serimizin 1. bölümüdür. Burada, endüstriyel kontrol mimarilerini ve onları benzersiz kılan güç kaynağı mimarilerini, bir tasarım zorluğunu tartışıyoruz. Bu serinin 2. bölümünde, yenilikçi çip tasarımlarıyla birlikte en son silikon imalat tekniklerini kullanan yeni nesil güç cihazlarını tartışacağız.
Endüstriyel kontrol mimarisi
24VDC, çoğu endüstriyel kontrol uygulaması için (özellikle PLC'ler kullananlar) fiili voltaj haline gelse de, 12VDC de yaygındır ve genellikle pil yedekleme voltajı olarak kullanılır veya fotovoltaik (PV) paneller gibi alternatif enerji kaynakları tarafından sağlanır. Son zamanlarda Ethernet üzerinden Güç (POE) tanıtımı, endüstriyel otomasyon üreticilerini standartta belirtilen 48VDC arzı tarafından desteklenen ekipman tasarlamaya teşvik etti. 24VDC güç kaynağı kullanan tipik bir endüstriyel kontrol sistemi Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1. Tipik endüstriyel kontrol sistemi.
Sistem, aktüatörlere sensörlerden bilgi almak veya komut göndermek için G/Ç modüllerinden oluşur, çok kanallı dijital girişler, çok kanallı analog girişler ve çıkışlar, iletişim işlevleri ve dijital veri yoluyla bağlantılı bir işlemci (CPU ). Genellikle bilgi işlem gücünü sağlar. Güç yardımcı programdan sağlanır, 24VDC'ye bastırılır ve arka panelden dağıtılır.
Sistemin güç kaynağına daha yakından bakmak, çeşitli sistem bileşenlerinin gerektirdiği farklı voltaj ve akım seviyeleri nedeniyle daha fazla karmaşıklığı ortaya koymaktadır. Şekil 2, güç mimarisinin küçük bir bölümünü göstermektedir. 120VAC/230VAC ana güç kaynağı başlangıçta bir endüstriyel güç modülü kullanılarak standart bir 12VDC veya 24VDC sistem arka plan güç kaynağına bastırılır. Sistem düzeyinde, bu arka plaka voltajı, ayrı bileşenlerin gerektirdiği düşük voltaj seviyelerine daha da bastırılır.
Şekil 2. Bir endüstriyel otomasyon sisteminin güç mimarisinin bir kısmı.
Örneğin, bir PLC bir mikroişlemci, dijital sinyal işlemcisi (DSP) ve alan programlanabilir kapı dizisi (FPGA) oluşabilir. Bu cihazlar 5V ila 1V voltaj aralığı gerektirir. Ancak, tüm PLC 3,5A'ya kadar akım gerektirebilir. Benzer şekilde, çok kanallı analog I/O modülleri, çeşitli amplifikatörler, analog-dijital dönüştürücüler (ADC'ler) ve 500mA'ya kadar akımlarla çoğullayıcılar (MUX'lar) için ± 15V ve 5V malzemeleri gerektirir.
Konuları karmaşıklaştırmak için, tasarımcıların dağıtım ağındaki yıldırım çarpması gibi olaylar aracılığıyla veya endüstriyel otomasyon sistemi ile aynı güç devrelerini paylaşan ağır yükleri hızla değiştirerek güç kaynaklarını etkileyen geçici voltaj artışlarını ("aşırı gerilimler") dikkate almaları gerekir. Güç kaynağı mimarisinin kendisinde, örneğin bir güç kaynağı modülü, özellikle anahtar modu türü cihazları kullanırken, besleme voltajını 12VDC veya 24VDC'ye adım attığında, güç kaynağı mimarisinin kendisinde de meydana gelebilir.
Bu aşırı gerilim olayları o kadar yaygındır ki, Uluslararası Elektrokimyasal Komisyonu (IEC) gibi kuruluşlar, mühendislerin sistemlerini bunlara dayanacak şekilde tasarlamasını önermektedir. Örneğin, düşük voltajlı (1KVAC ve 1.5KVDC) sistemlerde yalıtım koordinasyonu ile ilgilenen IEC 60664, hizmetten türetilmiş 24VDC malzemeleri tarafından desteklenen "Sınıf II" ekipmanın (endüstriyel otomasyonda kullanılan ekipman türleri dahil) tasarlanması gerektiğini belirtir. 60V'ye kadar aşırı gerilimlere dayanmak için.
DC-DC Voltaj Düzenleme Temelleri
DC-DC voltaj dönüşümü (veya "düzenleme") büyük bir iştir ve yarı iletken tedarikçiler tüm uygulamalar için çok çeşitli ürünler geliştirmeye büyük yatırımlar yapmıştır. Cihazlar iki gruba ayrılmıştır: doğrusal regülatörler olarak da bilinen düşük bırakma regülatörleri (LDO'lar); ve anahtarlama düzenleyicileri.
Uygulamanın çalışma özellikleriyle dikkatlice eşleştirildiğinde, anahtarlama regülatörleri LDO'lara kıyasla geniş bir giriş voltaj aralığında tipik olarak daha verimlidir. Buna ek olarak, anahtarlama regülatörleri kolayca yükselebilir ("Boost"), aşağı inebilir ("Buck") ve voltajları tersine çevirebilir. (Endüstriyel otomasyon sistemi güç kaynaklarının bazı bölümlerinin ters voltajlar gerektirdiğini unutmayın. Aksine, LDO'lar sadece voltajları azaltabilir.
Anahtarlama düzenleyicilerinin kullanımı kolay LDO'lar üzerinde bir dezavantajı vardır: Düzenleyicinin tasarımı daha karmaşıktır. Bunun nedeni, yüksek frekanslı anahtarlama işlemleri tarafından üretilen voltaj ve akım dalgalanmalarını zayıflatmak için çıkış filtrelemesinin gerekli olmasıdır. Bu, hassas çipler için sorunlara neden olur ve elektromanyetik parazit (EMI) üretir. Buna rağmen, birçok çağdaş uygulama tasarlayan mühendisler, anahtarlama düzenleyicilerini giderek daha fazla destekliyor.
Anahtarlama regülatörlerinin çalışmasının anahtarı, anahtarlama cihazları olarak metal oksit yarı iletken alan etkisi transistörlerinin (MOSFET'ler) kullanılmasıdır. MOSFET açık olduğunda, akım hem yüke hem de enerjiyi depolayan harici bir indüktöre akar. MOSFET kapandığında, indüktör depolanan enerjisini yüke sağlar.
Darbe genişliği modülasyonu (PWM) tipik olarak çıkış voltajını kontrol etmek için kullanılır. Frekans sabit tutulur ve darbe genişliği ("zamanında") istenen voltajı sağlayacak şekilde ayarlanır. Regülatörün yüksek frekanslı anahtarlanması, bir dizi giriş ve yük üzerinde nispeten kararlı bir voltaj çıkışını korurken sistemdeki kayıpları sınırlar.
Asenkron bir topoloji anahtarlama regülatöründe (Şekil 3), indüktörde depolanan ve daha sonra MOSFET kapalı döngüsü sırasında yüke aktarılan enerji doğrudan yüke akmaz. Bunun yerine, harici bir Schottky diyotu ile yayılır. İndüktör beklenen yüke göre seçilirse, anahtarlama regülatörü sürekli iletim modunda çalışır, böylece kararlı bir düzenlenmiş voltaj sağlar.
Şekil 3. Eşzamansız kova regülatör devresi.
Bu anahtarlama regülatörlerinin nihai verimliliği iki ana faktörle belirlenir: harici Schottky diyotunun ileri voltaj düşüşü ve cihazın ters sızıntı akım özellikleri. Modern cihazlarda, ileri voltaj düşüşü yaklaşık 0. 3V sınırına yaklaşıyor. Bu çok fazla görünmüyor, ancak sürekli cihaz tüketimine ve verimliliğe neden oluyor.
Schottky diyotunun bir MOSFET ile değiştirilmesi verimliliği artırır, çünkü transistörün direnci (R üzerinde), ileri voltajı (ve kayıpları) orijinal diyottan daha düşük tutmak için gelişmiş imalat teknikleri kullanılarak düşürülebilir. Bu devredeki iki mosfetin çalışması, biri yürürlükte olacak ve diğerinin kapanması için senkronize edilmelidir.
Şekil 4. Senkron kova regülatör devresi.
Senkron regülatör olarak adlandırılan ikinci MOSFET modüle entegre edilebilir. Harici Schottky diyotunu ortadan kaldırmanın yanı sıra, bu basitleştirilirdevre tasarımıve Malzeme Yasası'nı (BOM) azaltır.
Senkron regülatör tasarımının bir yan etkisi, iki MOSFET'in (yani endüktif kayıpların iki katına çıkarılması) anahtarlama işlemi nedeniyle, indüktördeki her iki yönde akım akışlarıdır. Bu, eşzamansız tipteki tek yönlü akışla karşılaştırılır. Senkron regülatörlerde, kayıplar genellikle küçüktür, ancak cihaz verimliliği eşdeğer asenkron tipten daha düşük olabildiğinde daha düşük yüklerde daha büyük hale gelir.
Büyük yarı iletken tedarikçiler bu eksikliği çeşitli teknikler kullanarak ele almıştır. Örneğin,MaksimumEntegrebir dizi tanıttıyüksek voltajlıCihazı seçilebilir üç çalışma modunda çalıştırmak için kullanılabilen bir mod işlevine sahip bir mod işlevine sahip Senkron Regülatörler: PWM, nabız-frekans modülasyonu (PFM) ve süreksiz iletim modu (DCM). DCM ayrıca daha düşük yüklerde verimliliği artırmak için ters indüktör akımını ortadan kaldırır, ancak darbeleri atlamaz. Bu, DCM'yi frekansa duyarlı uygulamalar için uygun hale getirir.
Özet
Yüksek voltajlı, yüksek çıkışlı akım senkron regülatörler, kompakt, verimli ve tasarlanması kolay güç modülleri için endüstriyel otomasyonun ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Endüstriyel güç ikilemine çeşitli faktörler katkıda bulunmuştur, ancak tüm ihtiyaçları karşılayan yüksek voltajlı senkron regülatör mimarileri artık mevcuttur. Mevcut uygun bileşen seçimi sınırlı olmakla birlikte, aralık, tipik bir sistemin tüm DC-DC voltaj dönüşüm gereksinimlerini karşılamak için genişlemeye devam etmektedir, güç çıkışları birkaç yüz miliamps ile birkaç amper arasında değişmektedir. Bölüm 2'de, senkron düzenleyicilerdeki yeni yeniliklerin güç tüketimi mücadelesini nasıl çözmeye yardımcı olduklarını tartışacağız.