Introducció
Els sistemes d'automatització industrial estan experimentant una revolució per reduir la latència i el temps d'inactivitat. Aquest esforç, conegut com a Indústria 4.0, incorporarà una intel·ligència més gran a les fàbriques-des de panells i controladors HMI fins a mòduls de comunicació, actuadors i sensors.
Aquesta revolució és paral·lela a la revolució de les xarxes, on la intel·ligència es va expandir des dels encaminadors principals fins a les xarxes de metro, fins a la vora i fins a l'última milla. Mitjançant la distribució de la intel·ligència de processament a la vora (mitjançant sensors i mòduls de comunicació), les decisions rutinàries es poden prendre més ràpidament sense implicar el processador principal (situat al PLC). Aquesta intel·ligència addicional ha d'operar en el mateix espai o en un espai reduït a la planta de la fàbrica, exigint una major funcionalitat en factors de forma més petits.
Aquesta reducció de dimensions de PCB posa de manifest els reptes de gestió tèrmica. S'exclouen opcions com els dissipadors de calor a causa de les limitacions d'espai de la placa premium. Els ventiladors-d'aire forçat no es poden utilitzar, ja que els tancaments segellats impedeixen l'entrada de pols i contaminants. En conseqüència, les solucions de subministrament d'energia han de ser altament eficients alhora que ofereixen una potència més gran i ocupen una empremta més petita. En aquesta solució de disseny de fonts d'alimentació, abordarem aquests requisits mentre revisem les opcions disponibles per a fonts d'alimentació de 20 W-30 W, comparem el rendiment i determinem la solució òptima.
Abordant el consum d'energia
Les aplicacions industrials presenten una tensió nominal de bus de CC de 24 V, arrelada en relés analògics heretats i que segueix sent l'estàndard industrial de facto. Tanmateix, per a equips no-crítics, s'espera que la tensió de funcionament màxima en aplicacions industrials sigui de 36 V-40 V. Els dispositius crítics, com ara controladors, actuadors i mòduls de seguretat, han de suportar 60 V (estàndards SIL IEC61131-2, 60664-1 i 61508). Les tensions de sortida habituals són de 3,3 V i 5 V, amb corrents que van des de 10 mA en sensors petits fins a desenes d'amperes en aplicacions de control de moviment, CNC i PLC. Per tant, l'elecció òbvia és clara.
Aplicacions de control: un regulador de tensió reduït
Panell HMI: panell de visualització d'interfície humà-màquina, que normalment incorpora botons de control de la unitat, controladors lògics programables (PLC), sistemes de control distribuïts (DCS), control numèric informàtic (CNC)
Mòduls de comunicació: mòduls d'E/S digitals i analògics que utilitzen estàndards com ara línies sèrie, controladors, DeviceNet, Profibus, SercosIII, enllaç d'E/S, Ethernet, etc.
Actuadors: motors, accionaments, control de moviment, robòtica Sensors: pressió, temperatura, proximitat, òptics i diversos altres sensors.
L'arquitectura buck més comuna és el convertidor buck asíncron, ja que als fabricants de semiconductors els resulta senzill dissenyar reguladors buck asíncrons per a aplicacions d'alta-tensió. En aquesta configuració, el díode rectificador-de baix és extern al circuit integrat.
Per a una entrada de 24 V i una sortida de 5 V, el convertidor buck funciona amb un cicle de treball d'aproximadament el 20%. Això significa que el transistor intern-del costat alt (T a la figura 1) només condueix el 20% del temps. El díode rectificador extern (D) condueix el 80% restant del temps, representant la major part de la dissipació de potència.
Per exemple, sota una càrrega de 4 A, un díode rectificador Schottky com el B560C presenta una caiguda de tensió d'aproximadament 0,64 V. Així, amb un cicle de treball del 80%, la pèrdua de conducció (la pèrdua primària a plena càrrega) s'aproxima a (0,64 V) × (4 A) × (0,80)=2W.
D'altra banda, si fem servir una arquitectura síncrona (figura 2), el díode es substitueix per un MOSFET de costat baix que actua com a rectificador síncron. Podem equilibrar la caiguda de 0,64 V a través del díode amb la caiguda a través de la resistència de la font de drenatge-del transistor MOSFET, R_(ds) (activada).
Figura 1. Convertidor Buck asíncron
En el nostre exemple, el MOSFET RJK0651DPB inclou un Rds(on) de només 11 mΩ, amb una mida de paquet similar a un rectificador Schottky. Això provoca una caiguda de tensió corresponent de només (11 mΩ) × (4 A)=44 mV i una pèrdua de potència de només (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
La pèrdua de potència del MOSFET és aproximadament 14 vegades menor que la pèrdua de potència del Schottky a plena càrrega. Clarament, l'enfocament lògic per minimitzar el consum d'energia és utilitzar la rectificació síncrona.
Figura 2. Convertidor Buck síncron
Per minimitzar la mida general del circuit d'alimentació, els nous circuits integrats de rectificació síncrona haurien d'incorporar una compensació interna per a qualsevol freqüència i tensió de sortida sense requerir un gran condensador de sortida. També haurien de funcionar a altes freqüències per permetre l'ús d'inductors i condensadors més petits.
Figura 3. Circuit d'aplicació típic per al convertidor Buck del rectificador síncron MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A
El MAX17536 i una solució asíncrona basada en especificacions publicades es mostren a la figura 4. Per als dos dispositius, les condicions de prova eren d'entrada de 24 V i de sortida de 5 V i 4 A. Com era d'esperar, la solució síncrona de Maxim va demostrar una major eficiència en tot el rang de corrent de càrrega. A plena càrrega (4A), la solució síncrona de Maxim va aconseguir una eficiència superior al 92%, mentre que el dispositiu asíncron va arribar només al voltant del 86%, cosa que representa una diferència d'eficiència superior al 6%.
Figura 4. Eficiència dels convertidors Buck síncrons i asíncrons
Conclusió
Quan aborda els reptes de consum d'energia en aplicacions industrials, el MAX17536 presenta una solució de rectificació síncrona per a tensions d'entrada altes. Aquest enfocament sincrònic demostra un avantatge d'eficiència important, alleujant els problemes de dissipació de potència.