Perkenalan
Sistem otomasi industri sedang mengalami revolusi untuk mengurangi latensi dan waktu henti. Upaya ini, yang dikenal sebagai Industri 4.0, akan menanamkan kecerdasan yang lebih baik di seluruh pabrik-mulai dari panel dan pengontrol HMI hingga modul komunikasi, aktuator, dan sensor.
Revolusi ini sejajar dengan revolusi jaringan, di mana kecerdasan berkembang dari router inti ke jaringan metro, edge, dan hingga ke last mile. Dengan mendistribusikan kecerdasan pemrosesan ke edge (melalui sensor dan modul komunikasi), keputusan rutin dapat dibuat lebih cepat tanpa melibatkan prosesor utama (terletak di PLC). Kecerdasan tambahan ini harus beroperasi dalam ruang yang sama atau lebih kecil di lantai pabrik, sehingga menuntut peningkatan fungsionalitas dalam faktor bentuk yang lebih kecil.
Perampingan dimensi PCB ini menyoroti tantangan manajemen termal. Opsi seperti unit pendingin tidak termasuk karena keterbatasan ruang papan premium. Kipas angin-paksa tidak dapat digunakan, karena wadah tertutup mencegah masuknya debu dan kontaminan. Oleh karena itu, solusi pasokan listrik harus sangat efisien sekaligus menghasilkan daya yang lebih tinggi dan menggunakan ruang yang lebih kecil. Dalam solusi desain catu daya ini, kami akan memenuhi persyaratan ini sambil meninjau opsi yang tersedia untuk catu daya 20W-30W, membandingkan kinerja, dan menentukan solusi optimal.
Mengatasi Konsumsi Daya
Aplikasi industri menampilkan tegangan bus DC nominal 24V, yang berakar pada relai analog lama dan tetap menjadi standar industri de facto. Namun, untuk peralatan non-kritis, tegangan pengoperasian maksimum dalam aplikasi industri diharapkan sebesar 36V-40V. Perangkat penting, seperti pengontrol, aktuator, dan modul keselamatan, harus mendukung 60V (standar IEC61131-2, 60664-1, dan 61508 SIL). Tegangan keluaran yang umum adalah 3,3V dan 5V, dengan arus berkisar dari 10mA pada sensor kecil hingga puluhan ampere pada aplikasi kontrol gerak, CNC, dan PLC. Oleh karena itu, pilihan yang jelas sudah jelas.
Aplikasi Kontrol: Regulator Tegangan Buck (Step-Turun).
Panel HMI: Panel tampilan antarmuka{0}}manusia, biasanya dilengkapi tombol kontrol drive, Pengontrol Logika yang Dapat Diprogram (PLC), Sistem Kontrol Terdistribusi (DCS), Kontrol Numerik Komputer (CNC)
Modul Komunikasi: Modul I/O digital dan analog yang memanfaatkan standar seperti jalur serial, pengontrol, DeviceNet, Profibus, SercosIII, I/O Link, Ethernet, dll.
Aktuator: Motor, penggerak, kontrol gerak, robotika Sensor: Tekanan, suhu, jarak, optik, dan berbagai sensor lainnya.
Arsitektur buck yang paling umum adalah buck converter asinkron, karena produsen semikonduktor merasa mudah merancang regulator buck asinkron untuk-aplikasi tegangan tinggi. Dalam konfigurasi ini, dioda penyearah sisi-rendah berada di luar sirkuit terpadu.
Untuk masukan 24V dan keluaran 5V, konverter buck beroperasi pada siklus kerja sekitar 20%. Ini berarti transistor sisi tinggi-internal (T pada Gambar 1) hanya bekerja 20% dari keseluruhan waktu. Dioda penyearah eksternal (D) menghantarkan sisa 80% waktunya, yang merupakan sebagian besar disipasi daya.
Misalnya, di bawah beban 4A, dioda penyearah Schottky seperti B560C menunjukkan penurunan tegangan sekitar 0,64V. Jadi, pada siklus kerja 80%, kerugian konduksi (kerugian primer pada beban penuh) kira-kira (0,64V) × (4A) × (0,80)=2W.
Di sisi lain, jika kita menggunakan arsitektur sinkron (Gambar 2), dioda digantikan oleh MOSFET sisi rendah yang bertindak sebagai penyearah sinkron. Kita dapat menyeimbangkan penurunan 0,64V pada dioda terhadap penurunan resistansi sumber -pengurasan transistor MOSFET, R_(ds) (aktif).
Gambar 1. Konverter Buck Asinkron
Dalam contoh kita, MOSFET RJK0651DPB memiliki fitur Rds(on) hanya 11 mΩ, dengan ukuran paket yang mirip dengan penyearah Schottky. Hal ini menghasilkan penurunan tegangan sebesar hanya (11 mΩ) × (4 A)=44 mV, dan kehilangan daya hanya (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
Kehilangan daya MOSFET kira-kira 14 kali lebih rendah dibandingkan kehilangan daya Schottky pada beban penuh! Jelasnya, pendekatan logis untuk meminimalkan konsumsi daya adalah dengan menggunakan rektifikasi sinkron.
Gambar 2. Konverter Buck Sinkron
Untuk meminimalkan ukuran keseluruhan rangkaian catu daya, sirkuit terpadu rektifikasi sinkron yang lebih baru harus menyertakan kompensasi internal untuk frekuensi dan tegangan keluaran apa pun tanpa memerlukan kapasitor keluaran yang besar. Mereka juga harus beroperasi pada frekuensi tinggi untuk memungkinkan penggunaan induktor dan kapasitor yang lebih kecil.
Gambar 3. Rangkaian Aplikasi Umum untuk Konverter Buck Penyearah Sinkron MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A
MAX17536 dan solusi asinkron berdasarkan spesifikasi yang dipublikasikan ditunjukkan pada Gambar 4. Untuk kedua perangkat, kondisi pengujian adalah input 24V dan output 5V, 4A. Seperti yang diharapkan, solusi sinkron Maxim menunjukkan efisiensi yang lebih tinggi di seluruh rentang arus beban. Pada beban penuh (4A), solusi sinkron Maxim mencapai efisiensi lebih dari 92%, sedangkan perangkat asinkron hanya mencapai sekitar 86%, yang menunjukkan perbedaan efisiensi melebihi 6%.
Gambar 4. Efisiensi Konverter Buck Sinkron dan Asinkron
Kesimpulan
Saat mengatasi tantangan konsumsi daya dalam aplikasi industri, MAX17536 menghadirkan solusi rektifikasi sinkron untuk tegangan input tinggi. Pendekatan sinkron ini menunjukkan keunggulan efisiensi yang signifikan, sehingga mengurangi kekhawatiran disipasi daya.