مقدمه
سیستمهای اتوماسیون صنعتی برای کاهش تأخیر و خرابیها دستخوش انقلابی میشوند. این تلاش که به عنوان Industry 4.0 شناخته میشود، هوش بیشتری را در کارخانهها-از پانلها و کنترلکنندههای HMI گرفته تا ماژولهای ارتباطی، محرکها و حسگرها تعبیه میکند.
این انقلاب موازی با انقلاب شبکه است، جایی که اطلاعات از مسیریاب های اصلی به شبکه های مترو، لبه و تا آخرین مایل گسترش یافت. با توزیع هوش پردازشی در لبه (از طریق حسگرها و ماژول های ارتباطی)، تصمیمات معمولی را می توان سریعتر بدون دخالت پردازنده اصلی (واقع در PLC) اتخاذ کرد. این هوشمندی اضافی باید در فضای یکسان یا کاهش یافته در کف کارخانه عمل کند و نیاز به افزایش عملکرد در فاکتورهای شکل کوچکتر دارد.
این کاهش ابعاد PCB چالش های مدیریت حرارتی را برجسته می کند. گزینههایی مانند هیت سینک به دلیل محدودیتهای فضای تخته ممتاز کنار گذاشته میشوند. فن های هوای اجباری را نمی توان استفاده کرد، زیرا محفظه های مهر و موم شده از ورود گرد و غبار و آلاینده ها جلوگیری می کند. در نتیجه، راهحلهای منبع تغذیه باید بسیار کارآمد باشند در حالی که توان بالاتری را ارائه میدهند و ردپای کوچکتری را اشغال میکنند. در این راه حل طراحی منبع تغذیه، ضمن بررسی گزینه های موجود برای منابع تغذیه 20W-30W، مقایسه عملکرد و تعیین راه حل بهینه، به این الزامات خواهیم پرداخت.
پرداختن به مصرف برق
کاربردهای صنعتی دارای ولتاژ باس DC نامی 24 ولت است که ریشه در رله های آنالوگ قدیمی دارد و استاندارد صنعتی واقعی باقی می ماند. با این حال، برای تجهیزات غیر حیاتی، حداکثر ولتاژ کاری در کاربردهای صنعتی 36-40 ولت پیش بینی می شود. دستگاههای حیاتی مانند کنترلکنندهها، محرکها و ماژولهای ایمنی باید 60 ولت را پشتیبانی کنند (استانداردهای IEC61131-2، 60664-1 و 61508 SIL). ولتاژهای خروجی معمول 3.3 ولت و 5 ولت هستند، با جریان هایی از 10 میلی آمپر در سنسورهای کوچک تا ده ها آمپر در برنامه های کنترل حرکت، CNC و PLC. بنابراین انتخاب بدیهی روشن است.
برنامه های کاربردی کنترل: تنظیم کننده ولتاژ باک (پله-پایین).
پانل HMI: صفحه نمایش رابط انسانی{0}}، معمولاً دارای دکمههای کنترل درایو، کنترلکنندههای منطقی قابل برنامهریزی (PLC)، سیستمهای کنترل توزیعشده (DCS)، کنترل عددی رایانه (CNC)
ماژول های ارتباطی: ماژول های ورودی/خروجی دیجیتال و آنالوگ با استفاده از استانداردهایی مانند خطوط سریال، کنترلرها، DeviceNet، Profibus، SercosIII، I/O Link، اترنت و غیره.
عملگرها: موتورها، درایوها، کنترل حرکت، رباتیک سنسورها: سنسورهای فشار، دما، مجاورت، نوری و انواع دیگر حسگرها.
متداول ترین معماری باک مبدل باک ناهمزمان است، زیرا سازندگان نیمه هادی طراحی رگولاتورهای باک ناهمزمان را برای کاربردهای{0} ولتاژ بالا ساده می دانند. در این پیکربندی، دیود یکسو کننده سمت پایین- خارج از مدار مجتمع است.
برای ورودی 24 ولت و خروجی 5 ولت، مبدل باک با سیکل کاری تقریباً 20 درصد کار می کند. این بدان معناست که ترانزیستور داخلی بالا{4} (T در شکل 1) تنها 20٪ مواقع را هدایت می کند. دیود یکسو کننده خارجی (D) 80 درصد زمان باقیمانده را هدایت می کند و بیشترین اتلاف توان را به خود اختصاص می دهد.
به عنوان مثال، تحت یک بار 4 آمپر، یک دیود یکسو کننده شاتکی مانند B560C افت ولتاژ تقریباً 0.64 ولت را نشان می دهد. بنابراین، در یک چرخه کاری 80٪، افت هدایت (اتلاف اولیه در بار کامل) تقریباً (0.64V) × (4A) × (0.80)=2W است.
از سوی دیگر، اگر از یک معماری سنکرون استفاده کنیم (شکل 2)، دیود با یک ماسفت پایین- که به عنوان یکسو کننده سنکرون عمل می کند، جایگزین می شود. ما میتوانیم افت 0.64 ولت را در سرتاسر دیود در مقابل افت در زهکشی{4}مقاومت منبع ترانزیستور MOSFET، R_(ds) (روشن) متعادل کنیم.
شکل 1. مبدل باک ناهمزمان
در مثال ما، MOSFET RJK0651DPB دارای Rds(on) تنها 11 mΩ است که اندازه بسته بندی آن شبیه به یکسوساز Schottky است. این منجر به افت ولتاژ متناظر فقط (11 mΩ) × (4 A)=44 mV، و افت توان فقط (0.044 V) × (4 A) × (0.80)=141 mW میشود.
تلفات برق ماسفت تقریبا 14 برابر کمتر از تلفات برق شاتکی در بار کامل است! واضح است که رویکرد منطقی برای به حداقل رساندن مصرف برق، استفاده از یکسوسازی همزمان است.
شکل 2. مبدل باک سنکرون
برای به حداقل رساندن اندازه کلی مدار منبع تغذیه، مدارهای مجتمع یکسوسازی سنکرون جدیدتر باید جبران داخلی برای هر فرکانس و ولتاژ خروجی را بدون نیاز به خازن خروجی بزرگ در خود داشته باشند. آنها همچنین باید در فرکانس های بالا کار کنند تا امکان استفاده از سلف ها و خازن های کوچکتر فراهم شود.
شکل 3. مدار کاربردی معمولی برای مبدل باک یکسو کننده سنکرون MAX17536 24VIN/5VOUT، 4A
MAX17536 و یک راه حل ناهمزمان بر اساس مشخصات منتشر شده در شکل 4 نشان داده شده است. برای هر دو دستگاه، شرایط تست ورودی 24 ولت و خروجی 5 ولت، 4 آمپر بود. همانطور که انتظار می رفت، راه حل سنکرون Maxim کارایی بالاتری را در کل محدوده جریان بار نشان داد. در بار کامل (4A)، راه حل سنکرون Maxim بیش از 92% راندمان را به دست آورد، در حالی که دستگاه ناهمزمان تنها به حدود 86% رسید که نشان دهنده اختلاف بازده بیش از 6٪ است.
شکل 4. کارایی مبدل های باک سنکرون و ناهمزمان
نتیجه گیری
هنگام پرداختن به چالش های مصرف برق در کاربردهای صنعتی، MAX17536 یک راه حل تصحیح همزمان برای ولتاژهای ورودی بالا ارائه می دهد. این رویکرد همزمان یک مزیت بازده قابل توجه را نشان می دهد و نگرانی های اتلاف توان را کاهش می دهد.