Endüstriyel otomasyon sistemlerinin tasarımcıları giderek artan sayıda zorlukla karşı karşıyadır. Bu tür ekipmanların raflara monte edilmesi, boyutun ve termal kısıtlamaların artmasına neden olur. Zorlu endüstriyel ortamlarda, hassas elektronik ekipmanlar sıkı bir şekilde düzenlenmiş voltajlara ihtiyaç duyar ve müşteriler daha yüksek performans ve işlevsellik talep eder. Bu iki-bölümlü serinin 1. Bölümünde, endüstriyel güç kaynaklarına ilişkin birbiriyle çelişen talepleri ve ortak çözümlerle ilgili-karşılaştırmaları inceleyeceğiz.
giriiş
Endüstriyel otomasyon sistemi tasarımı benzersiz zorluklar sunar. Aslında bu, çatışan taleplerin hikayesidir. Programlanabilir mantık denetleyicileri (PLC'ler) ve G/Ç modülleri gibi sistem bileşenlerini barındırmak için düşük-maliyetli modüler rafların kullanıma sunulması, mühendisler ve çözümler üzerinde ciddi alan ve termal kısıtlamalar oluşturmuştur. Bu zorluklar, kir, nem ve titreşime duyarlı zorlu ortamlarda son derece güvenilir çalışma sağlama ihtiyacı nedeniyle daha da karmaşık hale geliyor.
Ek olarak müşteriler, sonraki nesil otomasyon sistemlerinde, güç tüketimini, cihaz boyutunu, ısı üretimini veya maliyeti artırmadan gelişmiş işlevsellik beklemektedir. Bu tür geliştirilmiş işlevsellik genellikle elektronik teknolojisindeki gelişmelere dayanır, ancak bunun çoğu zaman bir bedeli vardır: daha katı güç toleransları ve kusurlu güç kaynaklarına rağmen sabit kalması gereken voltaj seviyelerindeki dalgalanmalar.
Ancak mühendisler, müşterilerin gözünden kaçan ve genellikle değerli alan israfı olarak değerlendirilen bir güç kaynağı tasarlayarak değerli proje zamanını harcamak istemezler. Bunun yerine mühendisler, otomasyon sistemlerini rakiplerinden açıkça ayıran özelliklere odaklanmayı tercih ediyor.
Yarı iletken tedarikçileri, endüstriyel otomasyon sistemi tasarımcılarının çelişkili taleplerine, birçok temel güç kaynağı fonksiyonunu tek bir cihazda birleştiren modüller sunarak yanıt verdiler. Bununla birlikte, endüstriyel otomasyon sistemlerinde kullanılan 12, 24 veya 48VDC güç kaynaklarıyla çalıştırılmak üzere tasarlanan modüller, ana güç kaynağını rahatsız eden voltaj artışlarına dayanmak için voltaj kelepçeleriyle korunmalı veya asenkron anahtarlama teknolojisi kullanılmalıdır. Her iki çözüm de daha büyük, daha pahalı ve daha az verimli güç sistemleriyle sonuçlanır-tam da sistem mühendislerinin kaçınmaya çalıştığı şey.
Bu uygulama notu, endüstriyel kontrol regülatörleriyle ilgili iki-bölümlü serimizin 1. Kısmıdır. Burada, tasarım zorlukları sunan endüstriyel kontrol mimarilerini ve bunların benzersiz güç kaynağı mimarilerini tartışıyoruz. Bu serinin 2. Bölümünde, en yeni silikon üretim teknolojilerini yenilikçi çip tasarımlarıyla birleştiren yeni nesil güç cihazlarını tartışacağız.
Endüstriyel Kontrol Mimarileri
24VDC çoğu endüstriyel kontrol uygulaması için (özellikle PLC kullananlar için) fiili voltaj haline gelmiş olsa da, 12VDC de yaygındır, tipik olarak akü yedek voltajı olarak veya fotovoltaik (PV) paneller gibi alternatif enerji kaynakları tarafından sağlanır. Power over Ethernet'in (PoE) yakın zamanda piyasaya sürülmesi, endüstriyel otomasyon üreticilerini bu standartta belirtilen 48VDC güç kaynağıyla çalışan cihazlar tasarlamaya da teşvik etti. 24VDC güç kaynağı kullanan tipik bir endüstriyel kontrol sistemi Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1. Tipik endüstriyel kontrol sistemi.
Sistem, sensörlerden bilgi almak veya aktüatörlere komut göndermek için G/Ç modülleri, çok-kanallı dijital girişler, çok-kanallı analog girişler ve çıkışlar, iletişim işlevleri ve dijital veri yolu aracılığıyla bağlanan bir işlemci (CPU) içerir. PLC'ler genellikle bilgi işlem gücü sağlar. Güç, şebeke gücüyle sağlanır, 24VDC'ye düşürülür ve bir arka panel aracılığıyla dağıtılır.
Sistemin güç kaynağı daha yakından incelendiğinde, farklı sistem bileşenlerinin ihtiyaç duyduğu değişen voltaj ve akım seviyeleri nedeniyle karmaşıklığın arttığı açıkça görülüyor. Şekil 2 güç kaynağı mimarisinin küçük bir bölümünü göstermektedir. 120VAC/230VAC ana güç kaynağı, başlangıçta endüstriyel güç modülleri kullanılarak standart 12VDC veya 24VDC sistem arka panel güç kaynaklarına indirgenir. Sistem seviyesinde, bu arka panel voltajı ayrı bileşenlerin gerektirdiği daha düşük voltaj seviyelerine kadar azaltılır.
Şekil 2. Endüstriyel otomasyon sisteminin güç kaynağı mimarisinin bir parçası
Örneğin bir PLC, bir mikroişlemci, bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) ve sahada-programlanabilir kapı dizisinden (FPGA) oluşabilir. Bu cihazlar 5V ile 1V arasında bir voltaj aralığı gerektirir. Ancak PLC'nin tamamı 3,5A'ya kadar akım gerektirebilir. Benzer şekilde, çok-kanallı analog G/Ç modülleri, çeşitli amplifikatörler, analog-dijital-dönüştürücüler (ADC'ler) ve 500 mA'ya kadar akımlara sahip çoklayıcılar (MUX'ler) için ±15V ve 5V güç kaynakları gerektirir.
İşleri daha da karmaşık hale getirmek için tasarımcıların, güç dağıtım ağına yıldırım çarpması gibi olaylar yoluyla veya endüstriyel otomasyon sistemleriyle aynı güç devresini paylaşan ağır yüklerin hızla değiştirilmesi yoluyla güç kaynağı dağıtımını etkileyebilecek geçici voltaj yükselmelerini ("aşırı gerilimler") dikkate alması gerekir. Güç kaynağı mimarisinin kendisinde de voltaj yükselmeleri meydana gelebilir; örneğin güç kaynağı modülleri, özellikle anahtar- modu tipi cihazlar kullanılırken güç kaynağı voltajını 12VDC veya 24VDC'ye düşürdüğünde.
Bu aşırı gerilim olayları o kadar yaygındır ki, Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) gibi kuruluşlar mühendislerin sistemlerini bunlara dayanacak şekilde tasarlamalarını önermektedir. Örneğin, IEC 60664, düşük gerilimli (1kVAC ve 1,5kVDC) sistemlerdeki izolasyon koordinasyonunu ele alır ve şebekeden türetilen 24VDC ile çalışan "Sınıf II" ekipmanın (endüstriyel otomasyonda kullanılan tipler dahil) 60V'a kadar aşırı gerilimlere dayanacak şekilde tasarlanması gerektiğini belirtir.
DC-DC Gerilim Düzenleme Temelleri
DC-DC voltaj dönüşümü (veya "düzenleme") büyük bir iştir ve yarı iletken tedarikçileri, tüm uygulamalara yönelik geniş bir ürün yelpazesi geliştirmeye büyük yatırımlar yapmıştır. Cihazlar iki gruba ayrılır: doğrusal düzenleyiciler olarak da bilinen düşük-düşmeli düzenleyiciler (LDO'lar); ve regülatörlerin değiştirilmesi.
Anahtarlamalı regülatörler, uygulamanın çalışma özellikleriyle dikkatli bir şekilde eşleştirildiğinde, LDO'lara kıyasla genellikle geniş bir giriş voltajı aralığında daha yüksek verimlilik sunar. Ek olarak, anahtarlamalı regülatörler gerilimleri kolayca yükseltebilir ("yükseltebilir-yukarı"), düşürebilir ("düşürebilir-düşürebilir") ve ters çevirebilir. (Endüstriyel otomasyon sistemi güç kaynaklarının belirli parçalarının ters voltaj gerektirdiğini unutmayın. Buna karşılık, LDO'lar yalnızca düşebilir.)
Basit ve kullanıcı{0}dostu LDO ile karşılaştırıldığında, anahtarlama düzenleyicilerinin bir dezavantajı vardır: tasarımları daha karmaşıktır. Bunun nedeni, yüksek-frekans anahtarlama işlemleri tarafından üretilen voltaj ve akım dalgalanmasını azaltmak için çıkış filtrelemenin gerekli olmasıdır. Bu, hassas çiplerde sorunlara neden olabilir ve elektromanyetik girişim (EMI) oluşturabilir. Buna rağmen birçok çağdaş uygulamayı tasarlayan mühendisler, anahtarlamalı regülatörleri giderek daha fazla tercih ediyor.
Anahtarlama düzenleyicilerinin çalışma şeklinin anahtarı, anahtarlama cihazları olarak metal-oksit-yarı iletken alan-etkili transistörlerin (MOSFET'ler) kullanılmasıdır. MOSFET açıkken akım hem yüke hem de enerjiyi depolayan harici bir indüktöre akar. MOSFET kapalıyken indüktör depolanan enerjiyi yüke sağlar.
Darbe genişlik modülasyonu (PWM) tipik olarak çıkış voltajını kontrol etmek için kullanılır. Darbe genişliği ("açık-zamanı") istenen voltajı sağlayacak şekilde ayarlanırken frekans sabit kalır. Regülatörün yüksek-frekans anahtarlaması, çeşitli giriş ve yük koşulları boyunca nispeten kararlı bir voltaj çıkışını korurken sistemdeki kayıpları en aza indirir.
Asenkron topoloji anahtarlamalı regülatörde (Şekil 3), indüktörde depolanan ve MOSFET kapalı çevrimi sırasında yüke aktarılan enerji doğrudan yüke akmaz. Bunun yerine harici bir Schottky diyot aracılığıyla yayılır. Endüktörün beklenen yüke göre seçilmesi durumunda anahtarlamalı regülatör sürekli iletim modunda çalışarak stabil regülasyon sağlayacaktır.
Şekil 3. Asenkron buck regülatör devresi.
Bu tip anahtarlama regülatörünün nihai verimliliği öncelikle iki faktör tarafından belirlenir: harici Schottky diyotunun ileri voltaj düşüşü ve cihazın ters kaçak akım özellikleri. Modern cihazlarda ileri gerilim düşüşü yaklaşık 0,3V sınırına yaklaşmaktadır. Bu çok fazla görünmeyebilir ancak sürekli güç tüketimine ve verimliliğin azalmasına neden olur.
Schottky diyotlarını MOSFET'lerle değiştirmek verimliliği artırır çünkü transistörlerin açık direnci (Ron) gelişmiş üretim teknikleri kullanılarak azaltılabilir, bu da orijinal diyotlara göre daha düşük ileri voltaja (ve kayıplara) neden olur. Bu devredeki iki MOSFET'in biri iletken diğeri bloke olacak şekilde senkronize çalışması gerekir. (Bkz. Şekil 4.)
Şekil 4. Senkron buck regülatör devresi.
Senkron regülatör olarak adlandırılan-düzenleyicinin ikinci MOSFET'i modüle entegre edilebilir. Bu, harici Schottky diyot ihtiyacını ortadan kaldırmanın yanı sıra devre tasarımını basitleştirir ve malzeme listesini (BOM) azaltır.
Senkron regülatör tasarımının bir yan etkisi, iki MOSFET'in anahtarlama işlemi nedeniyle akımın indüktörde çift yönlü olarak akmasıdır (yani, indüktör kayıpları iki katına çıkar). Bu, asenkron tiplerdeki tek yönlü akışla çelişir. Senkron regülatörlerde kayıplar genellikle küçüktür, ancak daha düşük yüklerde cihaz verimliliği eşdeğer asenkron tiplere göre daha düşük olabilir ve bu da daha büyük kayıplara neden olur.
Büyük yarı iletken tedarikçileri çeşitli teknolojiler kullanarak bu dezavantajı gidermiştir. Örneğin, Maxim Integrated, cihazın üç seçilebilir modda çalışmasına olanak tanıyan bir MODE işlevine sahip olan MAX17503 gibi bir dizi yüksek-voltaj senkron regülatörünü piyasaya sürdü: PWM, darbe frekans modülasyonu (PFM) ve süreksiz iletim modu (DCM). PWM normal çalışma için kullanılır. PFM, ters endüktans akımını ortadan kaldırarak ve darbeleri atlayarak düşük yüklerde verimliliği artırır. DCM ayrıca daha düşük yüklerde verimliliği artırmak için ters endüktans akımını da ortadan kaldırır ancak darbeleri atlamaz. Bu, DCM'yi frekansa-hassas uygulamalar için uygun hale getirir.
Özet
Yüksek-voltajlı, yüksek-çıkışlı akım senkron regülatörleri, endüstriyel otomasyonda kompakt, verimli ve tasarımı-kolay-güç modüllerine olan talebi karşılar. Endüstriyel güç kaynağı sorununa çeşitli faktörler katkıda bulunmuştur, ancak artık tüm gereksinimleri karşılayacak yüksek-voltajlı senkronize regülatör mimarisi mevcuttur. Her ne kadar uygun bileşenlerin mevcut seçimi sınırlı olsa da, yüzlerce miliamperden birkaç ampere kadar değişen güç çıkışlarıyla, tipik sistemler için tüm DC-DC gerilim dönüştürme gereksinimlerini karşılayacak şekilde ürün yelpazesi genişlemeye devam ediyor. Bölüm 2'de senkron regülatörlerdeki yeni yeniliklerin güç tüketimi zorluklarının aşılmasına nasıl yardımcı olabileceğini tartışacağız