Dizajneri sustava industrijske automatizacije suočavaju se sa sve većim brojem izazova. Montaža takve opreme u police dovodi do povećanja veličine i toplinskih ograničenja. U teškim industrijskim okruženjima, osjetljiva elektronička oprema zahtijeva strogo regulirane napone, a kupci zahtijevaju veće performanse i funkcionalnost. U 1. dijelu ove dvo-dijelne serije, istražit ćemo proturječne zahtjeve za industrijske izvore napajanja i kompromise-povezane s uobičajenim rješenjima.
Uvod
Projektiranje sustava industrijske automatizacije predstavlja jedinstvene izazove. Zapravo, priča je to o oprečnim zahtjevima. Uvođenje jeftinih-modularnih regala za smještaj komponenti sustava kao što su programabilni logički kontroleri (PLC) i I/O moduli nametnulo je ozbiljna prostorna i toplinska ograničenja inženjerima i rješenjima. Ovi izazovi dodatno su komplicirani potrebom da se osigura vrlo pouzdan rad u teškim okruženjima osjetljivim na prljavštinu, vlagu i vibracije.
Osim toga, korisnici očekuju poboljšanu funkcionalnost u sljedećim generacijama sustava automatizacije, a sve bez povećanja potrošnje energije, veličine uređaja, proizvodnje topline ili troškova. Takva poboljšana funkcionalnost često se temelji na napretku u elektroničkoj tehnologiji, ali često ima svoju cijenu: strože tolerancije snage i skokove napona koji moraju ostati stabilni unatoč nesavršenim izvorima napajanja.
Međutim, inženjeri ne žele trošiti dragocjeno projektno vrijeme na projektiranje napajanja koje kupci prolaze nezapaženo i često se smatra gubitkom dragocjenog prostora. Umjesto toga, inženjeri se radije usredotočuju na značajke koje jasno razlikuju njihove sustave automatizacije od konkurenata.
Dobavljači poluvodiča odgovorili su na proturječne zahtjeve dizajnera sustava industrijske automatizacije uvođenjem modula koji integriraju mnoge ključne funkcije napajanja u jedan uređaj. Međutim, moduli dizajnirani za napajanje s 12, 24 ili 48 VDC izvorima napajanja koji se koriste u industrijskim sustavima automatizacije moraju biti zaštićeni naponskim stezaljkama ili koristiti tehnologiju asinkronog prebacivanja kako bi izdržali skokove napona koji muče glavno napajanje. Oba rješenja rezultiraju većim, skupljim i manje učinkovitim sustavima napajanja-upravo onim što inženjeri sustava pokušavaju izbjeći.
Ova bilješka o primjeni prvi je dio naše dvo-serije o industrijskim kontrolnim regulatorima. Ovdje raspravljamo o industrijskim upravljačkim arhitekturama i njihovim jedinstvenim arhitekturama napajanja, koje predstavljaju izazove dizajna. U drugom dijelu ove serije, raspravljat ćemo o sljedećoj generaciji energetskih uređaja koji koriste najnovije tehnologije proizvodnje silicija u kombinaciji s inovativnim dizajnom čipova.
Industrijske upravljačke arhitekture
Dok je 24VDC postao de facto napon za većinu industrijskih kontrolnih aplikacija (posebno onih koje koriste PLC-ove), 12VDC je također uobičajen, obično kao pomoćni napon baterije ili opskrbljen alternativnim izvorima energije kao što su fotonaponske (PV) ploče. Nedavno uvođenje Power over Ethernet (PoE) također je potaknulo proizvođače industrijske automatizacije da dizajniraju uređaje koji se napajaju 48VDC napajanjem specificiranim tim standardom. Tipični industrijski upravljački sustav koji koristi napajanje od 24 VDC prikazan je na slici 1.
Slika 1. Tipični industrijski upravljački sustav.
Sustav uključuje I/O module za primanje informacija od senzora ili slanje naredbi aktuatorima, više-kanalne digitalne ulaze, više-kanalne analogne ulaze i izlaze, komunikacijske funkcije i procesor (CPU) povezan putem digitalne sabirnice. PLC-ovi obično pružaju računalnu snagu. Napajanje se napaja mrežnim napajanjem, sniženim na 24 VDC, i distribuira preko stražnje ploče.
Nakon detaljnijeg ispitivanja napajanja sustava, postaje očito da se složenost povećava zbog različitih razina napona i struje koje zahtijevaju različite komponente sustava. Slika 2 ilustrira mali dio arhitekture napajanja. Glavno napajanje od 120VAC/230VAC u početku je smanjeno korištenjem industrijskih modula napajanja na standardne izvore napajanja stražnje ploče sustava od 12VDC ili 24VDC. Na razini sustava, ovaj napon stražnje ploče se dalje smanjuje na niže razine napona koje zahtijevaju pojedinačne komponente.
Slika 2. Dio arhitekture napajanja industrijskog automatiziranog sustava
Na primjer, PLC se može sastojati od mikroprocesora, digitalnog procesora signala (DSP) i polje-programabilnog polja vrata (FPGA). Ovi uređaji zahtijevaju raspon napona od 5V do 1V. Međutim, cijeli PLC može zahtijevati do 3,5 A struje. Slično tome, više{7}}kanalni analogni U/I moduli zahtijevaju napajanje od ±15 V i 5 V za različita pojačala, analogno{10}}u-digitalne pretvarače (ADC) i multipleksere (MUX) sa strujama do 500 mA.
Da bi se stvari dodatno zakomplicirale, projektanti moraju uzeti u obzir prolazne skokove napona ("prenapone"), koji mogu utjecati na isporuku napajanja kroz događaje kao što su udari groma na distribucijsku mrežu električne energije ili kroz brzo prebacivanje teških opterećenja koja dijele isti krug napajanja sa sustavima industrijske automatizacije. Skokovi napona također se mogu pojaviti u samoj arhitekturi napajanja, primjerice kada moduli napajanja smanje napon napajanja na 12 VDC ili 24 VDC, osobito kada se koriste uređaji tipa s prekidačem-.
Ti su događaji prenapona toliko česti da organizacije poput Međunarodne elektrotehničke komisije (IEC) preporučuju inženjerima da dizajniraju svoje sustave tako da ih izdrže. Na primjer, IEC 60664 bavi se koordinacijom izolacije u sustavima niskog-napona (1kVAC i 1,5kVDC), navodeći da oprema "klase II" (uključujući tipove koji se koriste u industrijskoj automatizaciji) koja se napaja s 24VDC izvedena iz glavne mreže treba biti dizajnirana da izdrži prenapone do 60V.
DC-Osnove regulacije istosmjernog napona
DC-pretvorba istosmjernog napona (ili "regulacija") veliki je posao, a dobavljači poluvodiča uložili su velika sredstva u razvoj širokog spektra proizvoda za sve primjene. Uređaji su podijeljeni u dvije skupine: regulatori s niskim-ispadanjem (LDO), poznati i kao linearni regulatori; i sklopni regulatori.
Kada se pažljivo usklade s radnim karakteristikama aplikacije, sklopni regulatori obično nude veću učinkovitost u širokom rasponu ulaznog napona u usporedbi s LDO-ima. Dodatno, prekidački regulatori mogu lako povećati ("korak-gore"), smanjiti ("korak-niže") i invertirati napone. (Imajte na umu da određeni dijelovi napajanja sustava industrijske automatizacije zahtijevaju invertirane napone. Nasuprot tome, LDO mogu samo smanjiti.)
U usporedbi s jednostavnim i -prilagođenim LDO-om, sklopni regulatori imaju jedan nedostatak: njihov dizajn je složeniji. To je zato što je izlazno filtriranje potrebno za prigušivanje valovitosti napona i struje koje stvaraju visoko-frekvencijske komutacijske operacije. To može uzrokovati probleme s osjetljivim čipovima i generirati elektromagnetske smetnje (EMI). Unatoč tome, inženjeri koji projektiraju mnoge suvremene primjene sve više favoriziraju prekidačke regulatore.
Ključ načina na koji sklopni regulatori funkcioniraju je upotreba metalnih-oksidnih-poluvodičkih-tranzistora s efektom polja (MOSFET-ovi) kao sklopnih uređaja. Kada je MOSFET uključen, struja teče i do opterećenja i vanjskog induktora koji pohranjuje energiju. Kada je MOSFET isključen, induktor daje pohranjenu energiju opterećenju.
Modulacija širine impulsa (PWM) obično se koristi za kontrolu izlaznog napona. Frekvencija ostaje konstantna, dok se širina impulsa ("-vrijeme") prilagođava kako bi se osigurao željeni napon. Prebacivanje visoke-frekventnosti regulatora smanjuje gubitke u sustavu dok održava relativno stabilan izlazni napon u nizu uvjeta ulaza i opterećenja.
U asinkronom topološkom prekidačkom regulatoru (slika 3), energija pohranjena u induktoru i zatim prenesena na opterećenje tijekom ciklusa isključivanja MOSFET-a ne teče izravno na opterećenje. Umjesto toga, širi se kroz vanjsku Schottky diodu. Ako je induktor odabran prema očekivanom opterećenju, sklopni regulator će raditi u kontinuiranom načinu rada, osiguravajući stabilnu regulaciju.
Slika 3. Asinkroni strujni krug regulatora.
Konačna učinkovitost ovog tipa sklopnog regulatora prvenstveno je određena dvama čimbenicima: padom napona prema naprijed vanjske Schottky diode i karakteristikama obrnute struje curenja uređaja. U modernim uređajima, prednji pad napona se približava granici od približno 0,3 V. To se možda ne čini mnogo, ali rezultira kontinuiranom potrošnjom energije i smanjenom učinkovitosti.
Zamjena Schottky dioda s MOSFET-ima poboljšava učinkovitost jer se on-otpor (Ron) tranzistora može smanjiti korištenjem naprednih proizvodnih tehnika, što rezultira nižim naponom (i gubicima) u odnosu na izvorne diode. Dva MOSFET-a u ovom krugu moraju raditi sinkrono, pri čemu jedan provodi, a drugi blokira. (Pogledajte sliku 4.)
Slika 4. Krug sinkronog buck regulatora.
Drugi MOSFET takozvanog-sinkronog regulatora može se integrirati u modul. Osim što eliminira potrebu za vanjskom Schottky diodom, ovo pojednostavljuje dizajn strujnog kruga i smanjuje trošak materijala (BOM).
Nuspojava dizajna sinkronog regulatora je da struja teče dvosmjerno u induktoru zbog operacije prebacivanja dva MOSFET-a (tj. udvostručeni gubici induktora). To je u suprotnosti s jednosmjernim protokom u asinkronim tipovima. U sinkronim regulatorima gubici su obično mali, ali pri nižim opterećenjima, učinkovitost uređaja može biti niža nego kod ekvivalentnih asinkronih tipova, što rezultira većim gubicima.
Glavni dobavljači poluvodiča riješili su ovaj nedostatak koristeći različite tehnologije. Na primjer, Maxim Integrated je predstavio seriju visoko{1}}naponskih sinkronih regulatora, kao što je MAX17503, s funkcijom MODE koja omogućuje uređaju da radi u tri odabrana načina: PWM, pulsno frekvencijska modulacija (PFM) i diskontinuirani način provođenja (DCM). PWM se koristi za normalan rad. PFM poboljšava učinkovitost pri nižim opterećenjima eliminirajući reverznu struju induktiviteta i preskakanje impulsa. DCM također eliminira obrnutu struju induktiviteta kako bi poboljšao učinkovitost pri manjim opterećenjima, ali ne preskače impulse. Zbog toga je DCM prikladan za aplikacije-osjetljive na frekvenciju.
Sažetak
Sinkroni regulatori visokog-napona, visoke-izlazne struje zadovoljavaju zahtjeve za kompaktnim, učinkovitim i jednostavnim-za-projektiranje energetskih modula u industrijskoj automatizaciji. Nekoliko je čimbenika pridonijelo izazovu industrijskog napajanja, ali sada je dostupna arhitektura visokonaponskog sinkronog regulatora za ispunjavanje svih zahtjeva. Iako je trenutni izbor prikladnih komponenti ograničen, raspon se nastavlja širiti kako bi se zadovoljili svi zahtjevi za pretvorbu istosmjernog napona za tipične sustave, s izlaznom snagom u rasponu od stotina miliampera do nekoliko ampera. U 2. dijelu raspravljat ćemo o tome kako nove inovacije u sinkronim regulatorima mogu pomoći u rješavanju izazova potrošnje energije