طراحان سیستم های اتوماسیون صنعتی با چالش های فزاینده ای روبرو هستند. نصب قفسه چنین تجهیزات می تواند منجر به افزایش اندازه و محدودیت های حرارتی شود. در محیط های صنعتی سخت ، جایی که تجهیزات الکترونیکی حساس به ولتاژهای تنظیم شده محکم نیاز دارند ، مشتریان خواستار عملکرد و عملکرد بالاتری هستند. در قسمت اول این سری دو قسمتی ، ما مطالبات متناقض در مورد منبع تغذیه صنعتی و مبادلات مرتبط با راه حل های مشترک را بررسی خواهیم کرد.
مقدمه
طراحی سیستم اتوماسیون صنعتی چالش های منحصر به فردی را ارائه می دهد. در واقع ، این یک داستان از خواسته های متناقض است. معرفی قفسه های ماژولار کم هزینه به اجزای سیستم خانه مانند کنترل کننده های منطق قابل برنامه ریزی (PLC) و ماژول های I/O محدودیت های شدید و محدودیت های حرارتی را در مهندسان و راه حل ها قرار می دهد. این چالش ها با لزوم اطمینان از عملکرد بسیار قابل اعتماد در محیط های خشن مستعد خاک ، رطوبت و لرزش پیچیده می شوند.
علاوه بر این ، مشتریان انتظار دارند که در نسل های بعدی سیستم های اتوماسیون عملکردی پیشرفته داشته باشند ، همه بدون افزایش مصرف برق ، اندازه تجهیزات ، تولید گرما و هزینه. چنین پیشرفت هایی غالباً مبتنی بر پیشرفت در الکترونیک است ، اما اغلب با قیمتی همراه است: تحمل قدرت محکم تر و افزایش در سطح ولتاژ که باید در حالی که از منبع تغذیه کمتری برخوردار است ، پایدار بماند.
با این حال ، مهندسان نمی خواهند زمان ارزشمند پروژه را صرف طراحی منبع تغذیه ای کنند که مورد توجه مشتریان قرار نمی گیرد و غالباً هدر رفتن فضای ارزشمند محسوب می شود. در عوض ، مهندس ترجیح می دهد روی چیزهایی تمرکز کند که سیستم اتوماسیون وی را به وضوح از رقابت متمایز می کند.
تأمین کنندگان نیمه هادی با معرفی ماژول هایی که بسیاری از کارکردهای اصلی یک منبع تغذیه را در یک دستگاه واحد ادغام می کنند ، به نیازهای متناقض طراحان سیستم اتوماسیون صنعتی پاسخ داده اند. با این حال ، ماژول هایی که به منظور تأمین منابع 12 ، 24 یا 48VDC استفاده شده توسط سیستم های اتوماسیون صنعتی یا باید توسط گیره های ولتاژ محافظت شوند یا از تکنیک های سوئیچینگ ناهمزمان برای مقاومت در برابر سنبله های ولتاژ استفاده شوند. هر دو راه حل منجر به سیستم های قدرت بزرگتر ، گرانتر و کارآمدتر می شوند - دقیقاً آنچه مهندسان سیستم سعی در جلوگیری از آن دارند.
این یادداشت برنامه قسمت 1 سری دو قسمتی ما در تنظیم کننده های کنترل صنعتی است. در اینجا ، ما در مورد معماری های کنترل صنعتی و معماری های منبع تغذیه که آنها را منحصر به فرد می کند ، یک چالش طراحی است. در قسمت 2 این سری ، ما در مورد نسل بعدی دستگاه های قدرت که از آخرین تکنیک های ساخت سیلیکون همراه با طرح های نوآورانه تراشه استفاده می کنند ، بحث خواهیم کرد.
معماری کنترل صنعتی
در حالی که 24VDC برای اکثر برنامه های کنترل صنعتی (به ویژه آنهایی که از PLC استفاده می کنند) به ولتاژ de facto تبدیل شده است ، 12VDC نیز رایج است و اغلب به عنوان ولتاژ پشتیبان باتری یا توسط منابع انرژی جایگزین مانند پانل های فتوولتائیک (PV) تهیه می شود. معرفی اخیر Power Over Ethernet (POE) همچنین تولید کنندگان اتوماسیون صنعتی را به طراحی تجهیزات تهیه شده از منبع 48VDC مشخص شده در استاندارد ترغیب کرده است. یک سیستم کنترل صنعتی معمولی با استفاده از منبع تغذیه 24VDC در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1. سیستم کنترل صنعتی معمولی.
این سیستم از ماژول های I/O برای دریافت اطلاعات از سنسورها یا ارسال دستورات به محرک ها ، ورودی های دیجیتال چند کانال ، ورودی ها و خروجی های آنالوگ چند کانال ، توابع ارتباطی و یک پردازنده (CPU) که از طریق یک اتوبوس دیجیتال مرتبط است ، تشکیل شده است. به طور معمول قدرت محاسبات را فراهم می کند. برق از ابزار تأمین می شود ، به 24VDC کاهش می یابد و از طریق صفحه پشتی توزیع می شود.
نگاهی دقیق تر به منبع تغذیه سیستم به دلیل ولتاژ و سطح فعلی مورد نیاز قطعات مختلف سیستم ، پیچیدگی بیشتری را نشان می دهد. شکل 2 بخش کوچکی از معماری قدرت را نشان می دهد. منبع تغذیه اصلی 120VAC/230VAC در ابتدا با استفاده از یک ماژول قدرت صنعتی ، به یک منبع تغذیه پشت پرده سیستم استاندارد 12VDC یا 24VDC منتقل می شود. در سطح سیستم ، این ولتاژ پشت پرده بیشتر به سطح ولتاژ پایین تر مورد نیاز اجزای فردی کاهش می یابد.
شکل 2. بخشی از معماری قدرت یک سیستم اتوماسیون صنعتی.
به عنوان مثال ، یک PLC می تواند از ریزپردازنده ، پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) و آرایه دروازه قابل برنامه ریزی میدانی (FPGA) تشکیل شود. این دستگاه ها به دامنه ولتاژ 5 ولت تا 1 ولت نیاز دارند. با این حال ، کل PLC ممکن است تا 3.5a جریان نیاز داشته باشد. به طور مشابه ، ماژول های آنالوگ چند کانال I/O به تجهیزات 15 ولت و 5 ولت برای تقویت کننده های مختلف ، مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مولتیپلکس (MUX) با جریان تا 500 میلی آمپر نیاز دارند.
برای پیچیده تر کردن مسائل ، طراحان باید سنبله های ولتاژ گذرا ("ولتاژ") را در نظر بگیرند که از طریق رویدادهایی مانند اعتصاب صاعقه به شبکه توزیع یا با تغییر سریع بارهای سنگین که همان مدارهای قدرت را با سیستم اتوماسیون صنعتی دارند ، بر منبع تغذیه تأثیر می گذارد. سنبله های ولتاژ همچنین می توانند در خود معماری منبع تغذیه رخ دهند ، به عنوان مثال ، هنگامی که یک ماژول منبع تغذیه از ولتاژ تأمین به 12VDC یا 24VDC پایین می آید ، به خصوص هنگام استفاده از دستگاه های نوع حالت سوئیچ.
این وقایع ولتاژ چنان متداول است که سازمان هایی مانند کمیسیون بین المللی الکتروشیمیایی (IEC) توصیه می کنند که مهندسان سیستم های خود را برای مقاومت در برابر آنها طراحی کنند. به عنوان مثال ، IEC 60664 ، که به هماهنگی عایق بندی در سیستم های کم ولتاژ (1KVAC و 1.5KVDC) می پردازد ، اظهار می دارد که تجهیزات "کلاس II" (از جمله تجهیزات مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی) که از وسایل 24VDC مشتق از ابزار استفاده می شود باید طراحی شود برای مقاومت در برابر ولتاژ حداکثر 60 ولت.
اصول تنظیم ولتاژ DC-DC
تبدیل ولتاژ DC-DC (یا "تنظیم") تجارت بزرگی است و تأمین کنندگان نیمه هادی سرمایه گذاری زیادی در توسعه طیف گسترده ای از محصولات برای همه برنامه ها سرمایه گذاری کرده اند. دستگاه ها به دو گروه تقسیم می شوند: تنظیم کننده های پایین ترک (LDO) ، همچنین به عنوان تنظیم کننده های خطی شناخته می شوند. و تنظیم کننده های تعویض.
هنگامی که با دقت با ویژگی های عملیاتی برنامه مطابقت داشته باشد ، تنظیم کننده های تعویض معمولاً در مقایسه با LDO ها نسبت به محدوده ولتاژ ورودی گسترده کارآمدتر هستند. علاوه بر این ، تنظیم کننده های سوئیچینگ به راحتی می توانند قدم بردارند ("تقویت") ، پایین آمدن ("باک") و ولتاژهای معکوس. (توجه داشته باشید که برخی از قسمت های منبع تغذیه سیستم اتوماسیون صنعتی به ولتاژهای معکوس نیاز دارند. در مقابل ، LDO ها فقط می توانند ولتاژ را پایین بیاورند.
تنظیم کننده های تعویض یک ضرر نسبت به LDO های آسان برای استفاده دارند: طراحی تنظیم کننده پیچیده تر است. این امر به این دلیل است که برای کاهش ولتاژ و موج های فعلی تولید شده توسط عملیات سوئیچینگ با فرکانس بالا ، فیلتر خروجی لازم است. این باعث ایجاد مشکلات برای تراشه های حساس و ایجاد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) می شود. با وجود این ، مهندسان طراحی بسیاری از برنامه های معاصر به طور فزاینده ای از تنظیم کننده های تعویض کننده حمایت می کنند.
کلید عملکرد تنظیم کننده های سوئیچینگ استفاده از ترانزیستورهای میدان نیمه هادی اکسید فلزی (MOSFETS) به عنوان دستگاه های سوئیچینگ است. هنگامی که MOSFET روشن است ، جریان هم به بار و هم به یک سلف خارجی که انرژی را ذخیره می کند ، جریان می یابد. هنگامی که MOSFET خاموش شد ، سلف انرژی ذخیره شده خود را به بار می آورد.
مدولاسیون عرض پالس (PWM) به طور معمول برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می شود. فرکانس ثابت نگه داشته می شود و عرض پالس ("به موقع") برای تأمین ولتاژ مورد نظر تنظیم می شود. تعویض با فرکانس بالا تنظیم کننده ضمن حفظ خروجی ولتاژ نسبتاً پایدار در طیف وسیعی از ورودی ها و بارها ، ضررهای موجود در سیستم را محدود می کند.
در یک تنظیم کننده سوئیچینگ توپولوژی ناهمزمان (شکل 3) ، انرژی ذخیره شده در سلف و سپس در طول چرخه خاموش MOSFET به بار منتقل می شود ، مستقیماً به بار جریان نمی یابد. در عوض ، آن را از طریق یک دیود شاتکی خارجی پخش می شود. اگر سلف بر اساس بار مورد انتظار انتخاب شود ، تنظیم کننده سوئیچینگ در حالت هدایت مداوم کار می کند ، بنابراین ولتاژ تنظیم شده پایدار را فراهم می کند.
شکل 3. مدار تنظیم کننده باک ناهمزمان.
راندمان نهایی این تنظیم کننده های سوئیچینگ توسط دو عامل اصلی تعیین می شود: افت ولتاژ رو به جلو از دیود Schottky خارجی و ویژگی های جریان نشت معکوس دستگاه. در دستگاه های مدرن ، قطره ولتاژ رو به جلو در حال نزدیک شدن به حد حدود 0 3 ولت است. این به نظر نمی رسد خیلی زیاد باشد ، اما منجر به مصرف ثابت دستگاه و کاهش کارایی می شود.
جایگزینی دیود Schottky با MOSFET باعث افزایش کارایی می شود زیرا مقاومت در برابر (R) ترانزیستور را می توان با استفاده از تکنیک های ساخت پیشرفته کاهش داد تا ولتاژ رو به جلو (و ضرر) را از دیود اصلی پایین نگه دارد. عملکرد دو MOSFET در این مدار باید هماهنگ شود تا یکی انجام شود و دیگری خاموش شود.
شکل 4. مدار تنظیم کننده همزمان باک.
MOSFET دوم به اصطلاح تنظیم کننده همزمان می تواند در ماژول ادغام شود. علاوه بر از بین بردن دیود شوتکی خارجی ، این ساده می شودطراحی مدارو صورتحساب مواد (BOM) را کاهش می دهد.
یک عارضه جانبی از طراحی تنظیم کننده همزمان این است که به دلیل عملکرد سوئیچینگ دو MOSFET (یعنی دو برابر شدن تلفات القایی) ، جریان جریان در هر دو جهت در سلف. این با جریان یک طرفه در نوع ناهمزمان مقایسه می شود. در تنظیم کننده های همزمان ، ضررها معمولاً اندک هستند ، اما در هنگام بازده دستگاه کمتر از نوع ناهمزمان معادل ، در بارهای کمتری بزرگتر می شوند.
تأمین کنندگان عمده نیمه هادی با استفاده از تکنیک های متنوعی به این کاستی پرداخته اند. به عنوان مثال ،حداکثریکپارچهمجموعه ای ازولتاژتنظیم کننده های همزمان ، مانند MAX17503 ، با یک عملکرد حالت که می تواند برای کار با دستگاه در سه حالت قابل انتخاب استفاده شود: PWM ، مدولاسیون فرکانس پالس (PFM) و حالت هدایت ناپیوسته (DCM). DCM همچنین جریان سلف معکوس را برای بهبود کارآیی در بارهای پایین تر از بین می برد ، اما پالس را پر نمی کند. این باعث می شود DCM برای برنامه های حساس به فرکانس مناسب باشد.
خلاصه
تنظیم کننده های همزمان با ولتاژ بالا و با ولتاژ بالا ، نیازهای اتوماسیون صنعتی را برای ماژول های قدرت جمع و جور ، کارآمد و آسان طراحی می کنند. چندین عامل در معضل قدرت صنعتی نقش داشته اند ، اما معماری تنظیم کننده همزمان با ولتاژ بالا که همه نیازها را برآورده می کند ، اکنون در دسترس است. در حالی که انتخاب فعلی مؤلفه های مناسب محدود است ، دامنه همچنان گسترش می یابد تا تمام نیازهای تبدیل ولتاژ DC-DC یک سیستم معمولی را برآورده کند ، با خروجی های برق از چند صد میلی لیتر تا چندین آمپر. در قسمت 2 ، ما در مورد چگونگی نوآوری های جدید در تنظیم کننده های همزمان به حل چالش مصرف برق کمک خواهیم کرد.