Desainer sistem otomasi industri menghadapi tantangan yang meningkat. Pemasangan rak peralatan semacam itu dapat menyebabkan peningkatan ukuran dan kendala termal. Di lingkungan industri yang keras, di mana peralatan elektronik yang sensitif membutuhkan tegangan yang diatur dengan ketat, pelanggan menuntut kinerja dan fungsionalitas yang lebih tinggi. Pada bagian 1 dari seri dua bagian ini, kami akan mengeksplorasi tuntutan yang saling bertentangan pada pasokan listrik industri dan pengorbanan yang terkait dengan solusi umum.
Perkenalan
Desain Sistem Otomasi Industri menghadirkan tantangan unik. Bahkan, ini adalah kisah tuntutan yang bertentangan. Memperkenalkan komponen sistem modular berbiaya rendah ke rumah seperti komponen sistem logika yang dapat diprogram (PLC) dan modul I/O menempatkan ruang yang parah dan kendala termal pada insinyur dan solusi. Tantangan -tantangan ini diperparah oleh kebutuhan untuk memastikan operasi yang sangat andal di lingkungan yang keras rentan terhadap kotoran, kelembaban, dan getaran.
Selain itu, pelanggan mengharapkan peningkatan fungsionalitas pada generasi sistem otomasi berikutnya, semuanya tanpa meningkatkan konsumsi daya, ukuran peralatan, pembangkit panas dan biaya. Peningkatan seperti itu sering didasarkan pada kemajuan dalam elektronik, tetapi sering kali datang dengan harga: toleransi daya yang lebih ketat dan lonjakan tingkat tegangan yang harus tetap stabil saat berasal dari pasokan daya yang kurang sempurna.
Namun, insinyur tidak ingin menghabiskan waktu proyek yang berharga merancang catu daya yang tidak diketahui oleh pelanggan dan sering dianggap buang -buang ruang yang berharga. Sebaliknya, insinyur lebih suka fokus pada hal -hal yang dengan jelas membedakan sistem otomasinya dari kompetisi.
Pemasok semikonduktor telah menanggapi kebutuhan yang saling bertentangan dari perancang sistem otomasi industri dengan memperkenalkan modul yang mengintegrasikan banyak fungsi utama catu daya ke dalam satu perangkat. Namun, modul yang dirancang untuk ditenagai oleh pasokan 12, 24, atau 48VDC yang digunakan oleh sistem otomasi industri harus dilindungi oleh klem tegangan atau menggunakan teknik switching asinkron untuk menahan lonjakan tegangan yang mengganggu pasokan listrik. Kedua solusi menghasilkan sistem daya yang lebih besar, lebih mahal dan kurang efisien - tepatnya apa yang coba dihindari oleh insinyur sistem.
Catatan aplikasi ini adalah bagian 1 dari seri dua bagian kami tentang regulator kontrol industri. Di sini, kami membahas arsitektur kontrol industri dan arsitektur catu daya yang menjadikannya unik, tantangan desain. Pada bagian 2 dari seri ini, kita akan membahas generasi perangkat daya berikutnya yang memanfaatkan teknik fabrikasi silikon terbaru yang dikombinasikan dengan desain chip inovatif.
Arsitektur Kontrol Industri
Sementara 24VDC telah menjadi tegangan de facto untuk sebagian besar aplikasi kontrol industri (terutama yang menggunakan PLC), 12VDC juga umum dan sering digunakan sebagai tegangan cadangan baterai atau disediakan oleh sumber energi alternatif seperti panel fotovoltaik (PV). Pengenalan Power Over Ethernet (POE) baru -baru ini juga telah mendorong produsen otomatisasi industri untuk merancang peralatan yang ditenagai oleh pasokan 48VDC yang ditentukan dalam standar. Sistem kontrol industri yang khas menggunakan catu daya 24VDC ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Sistem Kontrol Industri Khas.
Sistem ini terdiri dari modul I/O untuk menerima informasi dari sensor atau mengirim perintah ke aktuator, input digital multi-channel, input analog multi-saluran dan output, fungsi komunikasi, dan prosesor (CPU) yang ditautkan melalui bus digital. biasanya memberikan daya komputasi. Daya disuplai dari utilitas, turun ke 24VDC, dan didistribusikan melalui backplane.
Pandangan yang lebih dekat pada catu daya sistem mengungkapkan kompleksitas yang lebih besar karena berbagai tegangan dan level arus yang diperlukan oleh berbagai komponen sistem. Gambar 2 menunjukkan sebagian kecil dari arsitektur kekuatan. Catu daya utama 120VAC/230VAC pada awalnya mengundurkan diri ke catu daya backplane sistem 12VDC atau 24VDC standar menggunakan modul daya industri. Pada level sistem, tegangan pesawat belakang ini lebih lanjut turun ke tingkat tegangan yang lebih rendah yang diperlukan oleh komponen individu.
Gambar 2. Bagian dari arsitektur daya sistem otomatisasi industri.
Misalnya, PLC dapat terdiri dari mikroprosesor, prosesor sinyal digital (DSP), dan array gerbang yang dapat diprogram bidang (FPGA). Perangkat ini membutuhkan rentang tegangan 5V hingga 1V. Namun, seluruh PLC mungkin membutuhkan hingga 3,5A arus. Demikian pula, modul I/O analog multi-saluran memerlukan pasokan ± 15V dan 5V untuk berbagai amplifier, konverter analog-ke-digital (ADC), dan multiplexer (MUX) dengan arus hingga 500mA.
Untuk memperumit masalah, desainer perlu mempertimbangkan lonjakan tegangan sementara ("tegangan berlebih") yang mempengaruhi pasokan listrik melalui peristiwa seperti sambaran petir pada jaringan distribusi atau dengan cepat beralih beban berat yang berbagi sirkuit daya yang sama dengan sistem otomatisasi industri. Paku tegangan juga dapat terjadi pada arsitektur catu daya itu sendiri, misalnya, ketika modul catu daya menuruni tegangan pasokan ke 12VDC atau 24VDC, terutama saat menggunakan perangkat tipe mode sakelar.
Peristiwa tegangan berlebih ini sangat umum sehingga organisasi seperti Komisi Elektrokimia Internasional (IEC) merekomendasikan agar para insinyur merancang sistem mereka untuk menahannya. Misalnya, IEC 60664, yang berkaitan dengan koordinasi isolasi dalam sistem tegangan rendah (1KVAC dan 1.5kVDC), menyatakan bahwa peralatan "Kelas II" (termasuk jenis peralatan yang digunakan dalam otomatisasi industri) yang ditenagai oleh persediaan 24VDC yang diturunkan utilitas harus dirancang untuk dirancang untuk dirancang harus dirancang untuk dirancang utilitas 24VDC harus dirancang untuk dirancang utilitas 24VDC harus dirancang untuk dirancang utilitas 24VDC yang diturunkan utilitas harus dirancang utilitas utilitas 24VDC harus dirancang untuk utilitas 24VDC harus dirancang utilitas harus dirancang utilitas 24VDC harus dirancang untuk utilitas 24VDC harus dirancang utilitas harus dirancang utilitas 24VDC harus dirancang utilitas 24VDC harus dirancang utilitas 24VDC harus dirancang utilitas utility 24VDC harus dirancang utility untuk menahan tegangan lebih dari 60V.
Dasar-dasar regulasi tegangan DC-DC
Konversi tegangan DC-DC (atau "regulasi") adalah bisnis besar, dan pemasok semikonduktor telah banyak berinvestasi dalam mengembangkan berbagai produk untuk semua aplikasi. Perangkat dibagi menjadi dua kelompok: Regulator Dropout Rendah (LDO), juga dikenal sebagai regulator linier; dan mengganti regulator.
Ketika dicocokkan dengan karakteristik operasi dengan hati -hati, regulator switching biasanya lebih efisien pada rentang tegangan input yang luas dibandingkan dengan LDOS. Selain itu, regulator switching dapat dengan mudah melangkah ("Boost"), turun ("Buck"), dan membalikkan tegangan. (Perhatikan bahwa beberapa bagian catu daya sistem otomasi industri memerlukan tegangan pembalik. Sebaliknya, LDO hanya dapat menurunkan tegangan.
Switching Regulator memiliki satu kerugian atas LDOS yang mudah digunakan: Desain regulator lebih kompleks. Ini karena pemfilteran output diperlukan untuk melemahkan tegangan dan riak arus yang dihasilkan oleh operasi switching frekuensi tinggi. Ini menyebabkan masalah untuk chip sensitif dan menghasilkan gangguan elektromagnetik (EMI). Meskipun demikian, para insinyur yang merancang banyak aplikasi kontemporer semakin menyukai regulator switching.
Kunci untuk pengoperasian regulator switching adalah penggunaan transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) sebagai perangkat switching. Saat MOSFET menyala, arus mengalir baik ke beban maupun ke induktor eksternal yang menyimpan energi. Ketika MOSFET mati, induktor menyediakan energi yang disimpan untuk beban.
Modulasi lebar pulsa (PWM) biasanya digunakan untuk mengontrol tegangan output. Frekuensi dipegang konstan dan lebar pulsa ("tepat waktu") disesuaikan untuk memberikan tegangan yang diinginkan. Pergantian frekuensi tinggi dari regulator membatasi kerugian dalam sistem sambil mempertahankan output tegangan yang relatif stabil pada kisaran input dan beban.
Dalam regulator switching topologi asinkron (Gambar 3), energi yang disimpan dalam induktor dan kemudian ditransfer ke beban selama siklus MOSFET off tidak mengalir langsung ke beban. Sebaliknya, itu disebarkan melalui dioda Schottky eksternal. Jika induktor dipilih berdasarkan beban yang diharapkan, regulator switching akan beroperasi dalam mode konduksi kontinu, sehingga memberikan tegangan yang diatur stabil.
Gambar 3. Sirkuit regulator buck asinkron.
Efisiensi utama dari regulator switching ini ditentukan oleh dua faktor utama: penurunan tegangan ke depan dari dioda Schottky eksternal dan karakteristik arus kebocoran yang terbalik dari perangkat. Di perangkat modern, penurunan tegangan depan mendekati batas sekitar 0. 3v. Ini tidak terdengar banyak, tetapi itu mengarah pada konsumsi perangkat yang konstan dan berkurangnya efisiensi.
Mengganti dioda Schottky dengan MOSFET meningkatkan efisiensi karena resistensi on-resistance (pada R) dari transistor dapat diturunkan menggunakan teknik fabrikasi canggih untuk menjaga tegangan ke depan (dan kerugian) lebih rendah dari dioda asli. Pengoperasian kedua MOSFET di sirkuit ini harus disinkronkan sehingga satu melakukan dan yang lainnya mati.
Gambar 4. Sirkuit Regulator Buck Sinkron.
MOSFET kedua dari apa yang disebut regulator sinkron dapat diintegrasikan ke dalam modul. Selain menghilangkan dioda Schottky eksternal, ini menyederhanakanDesain Sirkuitdan mengurangi Bill of Material (BOM).
Efek samping dari desain regulator sinkron adalah bahwa karena operasi switching dari dua MOSFET (yaitu, penggandaan kerugian induktif), arus mengalir di kedua arah di induktor. Ini dibandingkan dengan aliran searah pada tipe asinkron. Pada regulator sinkron, kerugian biasanya kecil, tetapi menjadi lebih besar pada beban yang lebih rendah ketika efisiensi perangkat mungkin lebih rendah dari jenis asinkron yang setara.
Pemasok semikonduktor utama telah membahas kekurangan ini menggunakan berbagai teknik. Misalnya,PepatahTerintegrasitelah memperkenalkan serangkaiantegangan tinggiRegulator sinkron, seperti MAX17503, dengan fungsi mode yang dapat digunakan untuk mengoperasikan perangkat dalam tiga mode operasi yang dapat dipilih: PWM, modulasi frekuensi pulsa (PFM) dan mode konduksi terputus (DCM). DCM juga menghilangkan arus induktor terbalik untuk meningkatkan efisiensi pada beban yang lebih rendah, tetapi tidak melewatkan pulsa. Ini membuat DCM cocok untuk aplikasi sensitif frekuensi.
Ringkasan
Regulator sinkron yang bertegangan tinggi, output-output tinggi memenuhi kebutuhan otomatisasi industri untuk modul daya yang ringkas, efisien, dan mudah dirancang. Beberapa faktor telah berkontribusi pada dilema daya industri, tetapi arsitektur regulator sinkron tegangan tinggi yang memenuhi semua kebutuhan sekarang tersedia. Sementara pemilihan komponen yang sesuai saat ini terbatas, kisaran terus berkembang untuk memenuhi semua persyaratan konversi tegangan DC-DC dari sistem tipikal, dengan output daya mulai dari beberapa ratus milliamp hingga beberapa amp. Di Bagian 2, kita akan membahas bagaimana inovasi baru dalam regulator sinkron membantu menyelesaikan tantangan konsumsi daya.