ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของพาวเวอร์ซัพพลายระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม: สถาปัตยกรรมการควบคุมทางอุตสาหกรรม

ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมเผชิญกับความท้าทายที่เพิ่มมากขึ้น การติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าวในชั้นวางจะทำให้ขนาดเพิ่มขึ้นและข้อจำกัดด้านความร้อน ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด และลูกค้าต้องการประสิทธิภาพและฟังก์ชันการทำงานที่สูงขึ้น ในส่วนที่ 1 ของซีรีส์สอง-ส่วนนี้ เราจะสำรวจความต้องการที่ขัดแย้งกันเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟทางอุตสาหกรรมและ-ข้อดีข้อเสียที่เกี่ยวข้องกับโซลูชันทั่วไป

การแนะนำ

การออกแบบระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมนำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร อันที่จริงมันเป็นเรื่องราวของข้อเรียกร้องที่ขัดแย้งกัน การเปิดตัวแร็คโมดูลาร์ราคาประหยัด-เพื่อจัดเก็บส่วนประกอบต่างๆ ของระบบ เช่น ตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ (PLC) และโมดูล I/O ได้กำหนดพื้นที่และข้อจำกัดทางความร้อนที่รุนแรงสำหรับวิศวกรและโซลูชัน ความท้าทายเหล่านี้มีความซับซ้อนมากขึ้นด้วยความจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานมีความน่าเชื่อถือสูงในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งไวต่อสิ่งสกปรก ความชื้น และการสั่นสะเทือน

นอกจากนี้ ลูกค้าคาดหวังฟังก์ชันการทำงานที่ได้รับการปรับปรุงในระบบอัตโนมัติรุ่นต่อๆ ไป โดยไม่ต้องเพิ่มการใช้พลังงาน ขนาดอุปกรณ์ การสร้างความร้อน หรือต้นทุน ฟังก์ชันการทำงานที่ได้รับการปรับปรุงดังกล่าวมักขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ แต่มักจะมาพร้อมกับค่าใช้จ่าย: ความทนทานต่อพลังงานที่เข้มงวดมากขึ้น และระดับแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะต้องคงที่แม้ว่าแหล่งพลังงานจะไม่สมบูรณ์ก็ตาม

อย่างไรก็ตาม วิศวกรไม่ต้องการใช้เวลาอันมีค่าของโครงการในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ลูกค้าไม่มีใครสังเกตเห็น และมักจะถือเป็นการสิ้นเปลืองพื้นที่อันมีค่า วิศวกรเลือกที่จะมุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติที่ทำให้ระบบอัตโนมัติของตนแตกต่างจากคู่แข่งอย่างชัดเจน

ซัพพลายเออร์เซมิคอนดักเตอร์ตอบสนองต่อความต้องการที่ขัดแย้งกันของนักออกแบบระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมด้วยการนำเสนอโมดูลที่รวมฟังก์ชันแหล่งจ่ายไฟหลักหลายอย่างไว้ในอุปกรณ์เครื่องเดียว อย่างไรก็ตาม โมดูลที่ออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟจากแหล่งจ่ายไฟ 12, 24 หรือ 48VDC ที่ใช้ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม จะต้องได้รับการปกป้องด้วยแคลมป์แรงดันไฟฟ้า หรือใช้เทคโนโลยีสวิตช์แบบอะซิงโครนัสเพื่อทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งรบกวนแหล่งจ่ายไฟหลัก โซลูชันทั้งสองส่งผลให้ระบบไฟฟ้ามีขนาดใหญ่ขึ้น มีราคาแพงกว่า และมีประสิทธิภาพน้อยลง-ซึ่งเป็นสิ่งที่วิศวกรระบบพยายามหลีกเลี่ยง

เอกสารการใช้งานนี้เป็นส่วนที่ 1 ของชุด-ส่วนสองของเราเกี่ยวกับหน่วยงานกำกับดูแลด้านการควบคุมทางอุตสาหกรรม ที่นี่ เราจะหารือเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมการควบคุมทางอุตสาหกรรมและสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งนำเสนอความท้าทายด้านการออกแบบ ในส่วนที่ 2 ของซีรี่ส์นี้ เราจะพูดถึงอุปกรณ์กำลังรุ่นต่อไปที่ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการผลิตซิลิคอนล่าสุดรวมกับการออกแบบชิปที่เป็นนวัตกรรมใหม่

สถาปัตยกรรมการควบคุมอุตสาหกรรม

 

 

แม้ว่า 24VDC จะกลายเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยพฤตินัยสำหรับการใช้งานในการควบคุมทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะที่ใช้ PLC) แต่ 12VDC ก็เป็นเรื่องปกติเช่นกัน โดยทั่วไปจะเป็นแรงดันไฟฟ้าสำรองของแบตเตอรี่หรือจ่ายโดยแหล่งพลังงานทางเลือก เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) การเปิดตัว Power over Ethernet (PoE) เมื่อเร็วๆ นี้ ยังสนับสนุนให้ผู้ผลิตระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ 48VDC ที่ระบุในมาตรฐานดังกล่าว ระบบควบคุมอุตสาหกรรมทั่วไปที่ใช้แหล่งจ่ายไฟ 24VDC แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ระบบควบคุมอุตสาหกรรมทั่วไป

ตัวอย่างเช่น PLC สามารถประกอบด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) และ-อาร์เรย์เกตแบบตั้งโปรแกรมได้ (FPGA) แบบฟิลด์ อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการช่วงแรงดันไฟฟ้า 5V ถึง 1V อย่างไรก็ตาม PLC ทั้งหมดอาจต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูงถึง 3.5A ในทำนองเดียวกัน โมดูล I/O อนาล็อกหลาย-ช่องสัญญาณต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ ±15V และ 5V สำหรับแอมพลิฟายเออร์ต่างๆ ตัวแปลงแอนะล็อก-เป็น-ดิจิทัล (ADC) และมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) ที่มีกระแสสูงถึง 500mA

เพื่อให้เรื่องยุ่งยากยิ่งขึ้น นักออกแบบต้องพิจารณาถึงแรงดันไฟกระชากชั่วคราว ("แรงดันไฟฟ้าเกิน") ซึ่งอาจส่งผลต่อการส่งจ่ายไฟผ่านเหตุการณ์ต่างๆ เช่น ฟ้าผ่าบนเครือข่ายการจ่ายพลังงาน หรือผ่านการสลับโหลดหนักอย่างรวดเร็วที่ใช้วงจรไฟฟ้าเดียวกันกับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม แรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้นอาจเกิดขึ้นภายในสถาปัตยกรรมของแหล่งจ่ายไฟเอง เช่น เมื่อโมดูลแหล่งจ่ายไฟลดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟลงเป็น 12VDC หรือ 24VDC โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้อุปกรณ์ประเภทโหมดสวิตช์-

เหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินเหล่านี้เกิดขึ้นบ่อยมากจนองค์กรต่างๆ เช่น International Electrotechnical Commission (IEC) แนะนำให้วิศวกรออกแบบระบบของตนให้ทนทานต่อเหตุการณ์ดังกล่าว ตัวอย่างเช่น IEC 60664 กล่าวถึงการประสานงานของฉนวนในระบบแรงดันไฟฟ้าต่ำ- (1kVAC และ 1.5kVDC) โดยระบุว่าอุปกรณ์ "Class II" (รวมถึงประเภทที่ใช้ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม) ที่ขับเคลื่อนโดย 24VDC ที่ได้มาจากแหล่งจ่ายไฟหลักควรได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกินได้ถึง 60V

DC-พื้นฐานการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

DC-การแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (หรือ "ข้อบังคับ") เป็นธุรกิจขนาดใหญ่ และซัพพลายเออร์เซมิคอนดักเตอร์ได้ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายสำหรับการใช้งานทุกประเภท อุปกรณ์แบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: ตัวควบคุมการออกกลางคัน (LDO) ต่ำ- หรือที่เรียกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น และสวิตช์ควบคุม

เมื่อจับคู่อย่างระมัดระวังกับลักษณะการทำงานของแอปพลิเคชัน ตัวควบคุมสวิตช์มักจะให้ประสิทธิภาพสูงกว่าในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้างเมื่อเทียบกับ LDO นอกจากนี้ ตัวควบคุมการสลับยังสามารถเพิ่ม ("สเต็ป-ขึ้น") บั๊ก ("สเต็ป-ลง") และแปลงแรงดันไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย (โปรดทราบว่าบางส่วนของแหล่งจ่ายไฟของระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมต้องใช้แรงดันไฟฟ้าแบบกลับด้าน ในทางตรงกันข้าม LDO ทำได้เพียงเจ้าชู้เท่านั้น)

เมื่อเปรียบเทียบกับ LDO ที่เรียบง่ายและใช้งานง่าย- ตัวควบคุมสวิตช์มีข้อเสียอยู่ประการหนึ่ง นั่นคือ การออกแบบที่ซับซ้อนกว่า เนื่องจากจำเป็นต้องมีการกรองเอาต์พุตเพื่อลดแรงดันและกระแสกระเพื่อมที่เกิดจากการดำเนินการสลับความถี่สูง- ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหากับชิปที่มีความละเอียดอ่อนและทำให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) อย่างไรก็ตาม วิศวกรที่ออกแบบแอปพลิเคชันร่วมสมัยจำนวนมากกลับชื่นชอบอุปกรณ์ควบคุมสวิตช์มากขึ้น

กุญแจสำคัญในการทำงานของตัวควบคุมสวิตช์คือการใช้ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์-ออกไซด์-สนามเซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) ของโลหะเป็นอุปกรณ์สวิตช์ เมื่อ MOSFET เปิดอยู่ กระแสจะไหลไปที่โหลดและตัวเหนี่ยวนำภายนอกที่เก็บพลังงาน เมื่อ MOSFET ปิดอยู่ ตัวเหนี่ยวนำจะจ่ายพลังงานที่เก็บไว้ให้กับโหลด

โดยทั่วไปแล้วการมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) ใช้เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต ความถี่ยังคงที่ ในขณะที่ความกว้างพัลส์ ("เวลาเปิด-") จะถูกปรับเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ การสลับความถี่สูง-ของตัวควบคุมจะลดการสูญเสียในระบบให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็รักษาแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตที่ค่อนข้างเสถียรตลอดช่วงเงื่อนไขอินพุตและโหลด

ในตัวควบคุมการสลับโทโพโลยีแบบอะซิงโครนัส (รูปที่ 3) พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำแล้วถ่ายโอนไปยังโหลดระหว่างวงจรปิด MOSFET จะไม่ไหลโดยตรงไปยังโหลด แต่จะแพร่กระจายผ่านไดโอดชอตกีภายนอกแทน หากเลือกตัวเหนี่ยวนำตามโหลดที่คาดหวัง ตัวควบคุมสวิตช์จะทำงานในโหมดการนำต่อเนื่อง เพื่อให้การควบคุมมีเสถียรภาพ

รูปที่ 3 วงจรควบคุมบั๊กแบบอะซิงโครนัส

 

ประสิทธิภาพสูงสุดของตัวควบคุมสวิตช์ประเภทนี้ถูกกำหนดโดยปัจจัยสองประการเป็นหลัก: แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าของไดโอด Schottky ภายนอกและลักษณะกระแสไฟรั่วย้อนกลับของอุปกรณ์ ในอุปกรณ์สมัยใหม่ แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าใกล้ถึงขีดจำกัดประมาณ 0.3V อาจดูเหมือนไม่มากนัก แต่ส่งผลให้มีการใช้พลังงานอย่างต่อเนื่องและลดประสิทธิภาพลง

การเปลี่ยนไดโอด Schottky ด้วย MOSFET จะปรับปรุงประสิทธิภาพเนื่องจากค่าความต้านทานเปิด (Ron) ของทรานซิสเตอร์สามารถลดลงได้โดยใช้เทคนิคการผลิตขั้นสูง ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า (และการสูญเสีย) ต่ำกว่าไดโอดเดิม MOSFET สองตัวในวงจรนี้จะต้องทำงานพร้อมกัน โดยมีตัวนำหนึ่งตัวและอีกตัวหนึ่งปิดกั้น (ดูรูปที่ 4)

                                        รูปที่ 4 วงจรควบคุมบั๊กแบบซิงโครนัส

MOSFET ตัวที่สองของ-ที่เรียกว่าตัวควบคุมซิงโครนัสสามารถรวมเข้ากับโมดูลได้ นอกเหนือจากการขจัดความจำเป็นในการใช้ไดโอด Schottky ภายนอกแล้ว ยังช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบวงจรและลดค่าวัสดุ (BOM)

ผลข้างเคียงของการออกแบบตัวควบคุมแบบซิงโครนัสคือกระแสจะไหลแบบสองทิศทางในตัวเหนี่ยวนำ เนื่องจากการสลับการทำงานของ MOSFET สองตัว (กล่าวคือ การสูญเสียตัวเหนี่ยวนำสองเท่า) สิ่งนี้แตกต่างกับการไหลแบบทิศทางเดียวในประเภทอะซิงโครนัส ในตัวควบคุมแบบซิงโครนัส การสูญเสียโดยทั่วไปจะมีเพียงเล็กน้อย แต่เมื่อโหลดต่ำกว่า ประสิทธิภาพของอุปกรณ์อาจต่ำกว่าประเภทอะซิงโครนัสที่เทียบเท่ากัน ส่งผลให้เกิดการสูญเสียที่มากขึ้น

ซัพพลายเออร์เซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ได้จัดการกับข้อเสียเปรียบนี้โดยใช้เทคโนโลยีต่างๆ ตัวอย่างเช่น Maxim Integrated ได้เปิดตัวชุดตัวควบคุมซิงโครนัสแรงดันไฟฟ้าสูง- เช่น MAX17503 ซึ่งมีฟังก์ชัน MODE ที่ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานในโหมดที่เลือกได้สามโหมด: PWM, การมอดูเลตความถี่พัลส์ (PFM) และโหมดการนำไฟฟ้าไม่ต่อเนื่อง (DCM) PWM ใช้สำหรับการทำงานปกติ PFM ปรับปรุงประสิทธิภาพที่โหลดต่ำโดยกำจัดกระแสเหนี่ยวนำย้อนกลับและข้ามพัลส์ DCM ยังกำจัดกระแสเหนี่ยวนำย้อนกลับเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพที่โหลดต่ำแต่ไม่ข้ามพัลส์ ซึ่งทำให้ DCM เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่มีความละเอียดอ่อนด้านความถี่-

สรุป

ตัวควบคุมซิงโครนัสกระแสไฟขาออกสูง-แรงดันสูง- ตอบสนองความต้องการการออกแบบโมดูลกำลังที่กะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และ-{3}}ง่ายในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อความท้าทายด้านแหล่งจ่ายไฟทางอุตสาหกรรม แต่ขณะนี้สถาปัตยกรรมตัวควบคุมซิงโครนัสแรงดันไฟฟ้าสูง-พร้อมให้ใช้งานเพื่อตอบสนองความต้องการทั้งหมดแล้ว แม้ว่าการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมในปัจจุบันจะมีจำกัด แต่ช่วงดังกล่าวยังคงขยายออกไปเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการแปลงแรงดันไฟฟ้า DC-DC ทั้งหมดสำหรับระบบทั่วไป โดยมีกำลังเอาท์พุตตั้งแต่หลายร้อยมิลลิแอมป์ไปจนถึงหลายแอมแปร์ ในส่วนที่ 2 เราจะหารือว่านวัตกรรมใหม่ในตัวควบคุมแบบซิงโครนัสสามารถช่วยจัดการกับความท้าทายในการใช้พลังงานได้อย่างไร