ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก

นักออกแบบระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมเผชิญกับความท้าทายที่เพิ่มขึ้น การติดตั้งแร็คอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถนำไปสู่การเพิ่มขนาดและข้อ จำกัด ทางความร้อน ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรงซึ่งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อนต้องการแรงดันไฟฟ้าที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวดลูกค้าต้องการประสิทธิภาพและการใช้งานที่สูงขึ้น ในส่วนที่ 1 ของซีรี่ส์สองส่วนนี้เราจะสำรวจความต้องการที่ขัดแย้งกันในแหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรมและการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับโซลูชั่นทั่วไป

การแนะนำ

การออกแบบระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมนำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร ในความเป็นจริงมันเป็นเรื่องราวของความต้องการที่ขัดแย้งกัน แนะนำชั้นวางโมดูลาร์ราคาต่ำไปยังส่วนประกอบของระบบบ้านเช่นตัวควบคุมตรรกะที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLCs) และโมดูล I/O ทำให้พื้นที่ที่รุนแรงและข้อ จำกัด ทางความร้อนของวิศวกรและโซลูชั่น ความท้าทายเหล่านี้ประกอบไปด้วยความต้องการเพื่อให้แน่ใจว่าการดำเนินงานที่เชื่อถือได้สูงในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงนั้นไวต่อสิ่งสกปรกความชื้นและการสั่นสะเทือน

นอกจากนี้ลูกค้าคาดว่าจะมีการทำงานที่เพิ่มขึ้นในระบบระบบอัตโนมัติรุ่นต่อ ๆ มาโดยไม่ต้องเพิ่มการใช้พลังงานขนาดอุปกรณ์การสร้างความร้อนและค่าใช้จ่าย การปรับปรุงดังกล่าวมักจะขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่มักจะมาในราคา: ความคลาดเคลื่อนของพลังงานที่เข้มงวดมากขึ้นและเพิ่มขึ้นในระดับแรงดันไฟฟ้าที่จะต้องมีเสถียรภาพในขณะที่มาจากแหล่งจ่ายไฟที่ไม่สมบูรณ์

อย่างไรก็ตามวิศวกรไม่ต้องการใช้เวลาโครงการที่มีค่าในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ลูกค้าไม่มีใครสังเกตเห็นและมักจะถือว่าเป็นพื้นที่ที่มีค่า แต่วิศวกรชอบที่จะมุ่งเน้นไปที่สิ่งต่าง ๆ ที่แตกต่างอย่างชัดเจนระบบระบบอัตโนมัติของเขาจากการแข่งขัน

ซัพพลายเออร์เซมิคอนดักเตอร์ได้ตอบสนองต่อความต้องการที่ขัดแย้งกันของนักออกแบบระบบระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมโดยการแนะนำโมดูลที่รวมฟังก์ชั่นสำคัญจำนวนมากของแหล่งจ่ายไฟลงในอุปกรณ์เดียว อย่างไรก็ตามโมดูลที่ออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนโดยอุปกรณ์ 12, 24, หรือ 48VDC ที่ใช้โดยระบบระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมจะต้องได้รับการปกป้องโดยแคลมป์แรงดันไฟฟ้าหรือใช้เทคนิคการสลับแบบอะซิงโครนัสเพื่อทนต่อแรงดันไฟฟ้า โซลูชันทั้งสองส่งผลให้ระบบพลังงานมีขนาดใหญ่ขึ้นแพงกว่าและมีประสิทธิภาพน้อยลง - สิ่งที่วิศวกรระบบพยายามหลีกเลี่ยง

หมายเหตุแอปพลิเคชันนี้เป็นส่วนที่ 1 ของซีรี่ส์สองส่วนของเราเกี่ยวกับหน่วยงานกำกับดูแลการควบคุมอุตสาหกรรม ที่นี่เราหารือเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมการควบคุมอุตสาหกรรมและสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟที่ทำให้พวกเขามีเอกลักษณ์เป็นความท้าทายในการออกแบบ ในส่วนที่ 2 ของซีรีส์นี้เราจะหารือเกี่ยวกับอุปกรณ์พลังงานรุ่นต่อไปที่ใช้เทคนิคการผลิตซิลิกอนล่าสุดรวมกับการออกแบบชิปที่เป็นนวัตกรรม

สถาปัตยกรรมควบคุมอุตสาหกรรม

ในขณะที่ 24VDC ได้กลายเป็นแรงดันไฟฟ้าตามความเป็นจริงสำหรับการใช้งานการควบคุมอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้ PLCs) 12VDC ก็เป็นเรื่องธรรมดาและมักจะใช้เป็นแรงดันสำรองแบตเตอรี่หรือจัดหาโดยแหล่งพลังงานทางเลือกเช่นแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) การแนะนำล่าสุดของ Power Over Ethernet (POE) ยังสนับสนุนให้ผู้ผลิตระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมออกแบบอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนโดยอุปทาน 48VDC ที่ระบุไว้ในมาตรฐาน ระบบควบคุมอุตสาหกรรมทั่วไปโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 24VDC แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1. ระบบควบคุมอุตสาหกรรมทั่วไป

ระบบประกอบด้วยโมดูล I/O สำหรับการรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์หรือส่งคำสั่งไปยังแอคทูเอเตอร์อินพุตดิจิตอลหลายช่องทางอินพุตและเอาต์พุตแบบอะนาล็อกหลายช่องทางฟังก์ชั่นการสื่อสารและโปรเซสเซอร์ (CPU) ที่เชื่อมโยงผ่านบัสดิจิตอล โดยทั่วไปจะให้กำลังคอมพิวเตอร์ พลังงานมาจากยูทิลิตี้ก้าวลงไปที่ 24VDC และแจกจ่ายผ่าน backplane

การดูแหล่งจ่ายไฟของระบบอย่างใกล้ชิดเผยให้เห็นความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าและระดับปัจจุบันที่แตกต่างกันซึ่งต้องการโดยส่วนประกอบของระบบต่างๆ รูปที่ 2 แสดงส่วนเล็ก ๆ ของสถาปัตยกรรมพลังงาน แหล่งจ่ายไฟหลัก 120VAC/230VAC เริ่มต้นลงไปที่แหล่งจ่ายไฟ backplane ของระบบ 12VDC หรือ 24VDC มาตรฐานโดยใช้โมดูลพลังงานอุตสาหกรรม ในระดับระบบแรงดันแบ็คเพลนนี้จะก้าวลงไปสู่ระดับแรงดันไฟฟ้าส่วนล่างที่ต้องการโดยแต่ละองค์ประกอบ

รูปที่ 2. ส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรมพลังงานของระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

ตัวอย่างเช่น PLC อาจประกอบด้วยไมโครโปรเซสเซอร์, ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (DSP) และอาร์เรย์เกตที่ตั้งโปรแกรมได้ (FPGA) อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการช่วงแรงดันไฟฟ้า 5V ถึง 1V อย่างไรก็ตาม PLC ทั้งหมดอาจต้องการกระแสสูงสุด 3.5A ในทำนองเดียวกันโมดูล I/O แบบอะนาล็อกหลายช่องจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริม± 15V และ 5V สำหรับแอมพลิฟายเออร์ต่างๆตัวแปลงแบบอะนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADCs) และมัลติเพล็กเซอร์ (MUXS) ที่มีกระแสสูงถึง 500mA

เพื่อให้เรื่องซับซ้อนขึ้นนักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว ("แรงดันไฟฟ้าเกิน") ที่ส่งผลกระทบต่อแหล่งจ่ายไฟผ่านเหตุการณ์เช่นการโจมตีด้วยฟ้าผ่าบนเครือข่ายการกระจายหรือการสลับโหลดหนักอย่างรวดเร็วซึ่งใช้วงจรพลังงานเดียวกันกับระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม แรงดันไฟฟ้าแหลมสามารถเกิดขึ้นได้ในสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟเองเช่นเมื่อโมดูลแหล่งจ่ายไฟก้าวลงแรงดันไฟฟ้าซัพพลายไปที่ 12VDC หรือ 24VDC โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้อุปกรณ์ประเภทสวิตช์โหมด

เหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินเหล่านี้เป็นเรื่องธรรมดาที่องค์กรต่าง ๆ เช่นคณะกรรมการเคมีไฟฟ้านานาชาติ (IEC) แนะนำให้วิศวกรออกแบบระบบของพวกเขาเพื่อทนต่อพวกเขา ตัวอย่างเช่น IEC 60664 ซึ่งเกี่ยวข้องกับการประสานงานของฉนวนกันความร้อนในระบบแรงดันต่ำ (1KVAC และ 1.5kVDC) ระบุว่าอุปกรณ์ "Class II" (รวมถึงประเภทของอุปกรณ์ที่ใช้ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม) ขับเคลื่อนโดยอุปกรณ์ 24VDC ที่ได้จากยูทิลิตี้ เพื่อทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 60V

พื้นฐานการควบคุมแรงดันไฟฟ้า DC-DC

การแปลงแรงดันไฟฟ้า DC-DC (หรือ "ระเบียบ") เป็นธุรกิจขนาดใหญ่และซัพพลายเออร์เซมิคอนดักเตอร์ได้ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายสำหรับแอปพลิเคชันทั้งหมด อุปกรณ์แบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: หน่วยงานกำกับดูแลการออกกลางคันต่ำ (LDOS) หรือที่เรียกว่าหน่วยงานกำกับดูแลเชิงเส้น; และการสลับหน่วยงานกำกับดูแล

เมื่อจับคู่กับลักษณะการทำงานของแอปพลิเคชันอย่างระมัดระวังโดยทั่วไปแล้วการสลับหน่วยงานกำกับดูแลจะมีประสิทธิภาพมากกว่าช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กว้างเมื่อเทียบกับ LDOS นอกจากนี้การสลับหน่วยงานกำกับดูแลสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างง่ายดาย ("เพิ่ม"), ก้าวลง ("บั๊ก") และแรงดันไฟฟ้ากลับ (โปรดทราบว่าบางส่วนของแหล่งจ่ายไฟระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมจำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าคว่ำในทางตรงกันข้าม LDOs สามารถลดแรงดันไฟฟ้าได้เท่านั้น

การสลับหน่วยงานกำกับดูแลมีข้อเสียอย่างหนึ่งมากกว่า LDO ที่ใช้งานง่าย: การออกแบบของตัวควบคุมนั้นซับซ้อนกว่า นี่เป็นเพราะการกรองเอาท์พุทจำเป็นต้องลดทอนแรงดันไฟฟ้าและระลอกคลื่นกระแสที่เกิดจากการสลับความถี่สูง สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาสำหรับชิปที่ละเอียดอ่อนและสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) อย่างไรก็ตามเรื่องนี้วิศวกรออกแบบแอพพลิเคชั่นร่วมสมัยจำนวนมากชอบการสลับหน่วยงานกำกับดูแลมากขึ้น

กุญแจสำคัญในการทำงานของหน่วยงานกำกับดูแลการสลับคือการใช้ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ฟิลด์ออกไซด์ของโลหะออกไซด์ (MOSFETs) เป็นอุปกรณ์สลับ เมื่อเปิด MOSFET กระแสจะไหลทั้งที่โหลดและไปยังตัวเหนี่ยวนำภายนอกที่เก็บพลังงาน เมื่อ MOSFET ปิดตัวเหนี่ยวนำจะให้พลังงานที่เก็บไว้กับโหลด

การปรับความกว้างพัลส์ (PWM) มักใช้เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต ความถี่จะคงที่และความกว้างของพัลส์ ("ตรงเวลา") ถูกปรับเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ การสลับความถี่สูงของตัวควบคุม จำกัด การสูญเสียในระบบในขณะที่ยังคงเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างเสถียรในช่วงของอินพุตและโหลด

ในตัวควบคุมการสลับทอพอโลยีแบบอะซิงโครนัส (รูปที่ 3) พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำแล้วถ่ายโอนไปยังโหลดในระหว่างรอบ MOSFET ไม่ได้ไหลโดยตรงไปยังโหลด แต่จะแพร่กระจายผ่านไดโอด Schottky ภายนอก หากตัวเหนี่ยวนำถูกเลือกตามโหลดที่คาดไว้ตัวควบคุมการสลับจะทำงานในโหมดการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องจึงให้แรงดันไฟฟ้าที่มีความเสถียร

รูปที่ 3. วงจรควบคุมบั๊กแบบอะซิงโครนัส

ประสิทธิภาพสูงสุดของหน่วยงานกำกับดูแลการสลับเหล่านี้ถูกกำหนดโดยปัจจัยหลักสองประการคือการลดลงของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของไดโอด schottky ภายนอกและลักษณะปัจจุบันการรั่วไหลย้อนกลับของอุปกรณ์ ในอุปกรณ์ที่ทันสมัยการลดลงของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้ากำลังเข้าใกล้ขีด จำกัด ประมาณ 0. 3V สิ่งนี้ไม่ได้ฟังดูมากนัก แต่มันนำไปสู่การใช้อุปกรณ์อย่างต่อเนื่องและลดประสิทธิภาพ

การเปลี่ยนไดโอด Schottky ด้วย MOSFET ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเนื่องจากการต้านทาน (ON R) ของทรานซิสเตอร์สามารถลดลงได้โดยใช้เทคนิคการผลิตขั้นสูงเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า (และการสูญเสีย) ต่ำกว่าไดโอดดั้งเดิม การทำงานของ mosfets ทั้งสองในวงจรนี้จะต้องซิงโครไนซ์เพื่อให้หนึ่งดำเนินการและอีกครั้งปิด

รูปที่ 4. วงจรควบคุมบั๊กแบบซิงโครนัส

MOSFET ที่สองของตัวควบคุมซิงโครนัสที่เรียกว่าสามารถรวมเข้ากับโมดูลได้ นอกเหนือจากการกำจัดไดโอด schottky ภายนอกแล้วสิ่งนี้ทำให้ง่ายขึ้นการออกแบบวงจรและลดใบเรียกเก็บเงิน (BOM)

ผลข้างเคียงของการออกแบบเครื่องควบคุมแบบซิงโครนัสคือเนื่องจากการสลับการทำงานของ mosfets สองตัว (เช่นการสูญเสียการอุปนัยเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า) กระแสกระแสในทั้งสองทิศทางในตัวเหนี่ยวนำ นี่คือการเปรียบเทียบกับการไหลทิศทางเดียวในประเภทอะซิงโครนัส ในหน่วยงานกำกับดูแลแบบซิงโครนัสการสูญเสียมักจะมีขนาดเล็ก แต่มีขนาดใหญ่ขึ้นที่โหลดที่ต่ำกว่าเมื่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์อาจต่ำกว่าประเภทอะซิงโครนัสเทียบเท่า

ซัพพลายเออร์เซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ได้กล่าวถึงข้อบกพร่องนี้โดยใช้เทคนิคที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น,สูงสุดซึ่งรวมเข้าด้วยกันได้แนะนำชุดของแรงดันสูงหน่วยงานกำกับดูแลแบบซิงโครนัสเช่น MAX17503 ด้วยฟังก์ชั่นโหมดที่สามารถใช้ในการใช้งานอุปกรณ์ในสามโหมดการทำงานที่เลือกได้: PWM, การปรับความถี่พัลส์ (PFM) และโหมดการนำความไม่ต่อเนื่อง (DCM) DCM ยังกำจัดกระแสตัวเหนี่ยวนำย้อนกลับเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพที่โหลดต่ำกว่า แต่ไม่ข้ามพัลส์ สิ่งนี้ทำให้ DCM เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไวต่อความถี่

สรุป

หน่วยงานกำกับดูแลแบบซิงโครนัสที่มีแรงดันสูงและปัจจุบันตรงกับความต้องการของระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมสำหรับโมดูลพลังงานขนาดกะทัดรัดที่มีประสิทธิภาพและง่ายต่อการออกแบบ มีหลายปัจจัยที่มีส่วนทำให้เกิดภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกทางอุตสาหกรรม ในขณะที่การเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมในปัจจุบันมี จำกัด ช่วงยังคงขยายตัวเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการแปลงแรงดันไฟฟ้า DC-DC ทั้งหมดของระบบทั่วไปโดยมีกำลังไฟตั้งแต่สองสามร้อยมิลลิียมส์ไปจนถึงแอมป์หลายตัว ในส่วนที่ 2 เราจะหารือเกี่ยวกับนวัตกรรมใหม่ในหน่วยงานกำกับดูแลแบบซิงโครนัสช่วยแก้ปัญหาการใช้พลังงานได้อย่างไร