Els dissenyadors de sistemes d'automatització industrial s'enfronten a un nombre creixent de reptes. El muntatge d'aquests equips en bastidors comporta un augment de la mida i les limitacions tèrmiques. En entorns industrials durs, els equips electrònics sensibles requereixen tensions estrictament regulades i els clients exigeixen un rendiment i una funcionalitat més alts. A la part 1 d'aquesta sèrie de dues-parts, explorarem les demandes conflictives de les fonts d'alimentació industrials i els-compromisos associats a les solucions comunes.
Introducció
El disseny de sistemes d'automatització industrial presenta reptes únics. De fet, és una història de demandes contradictòries. La introducció de bastidors modulars de baix cost-per allotjar components del sistema, com ara controladors lògics programables (PLC) i mòduls d'E/S, ha imposat greus limitacions d'espai i tèrmica als enginyers i solucions. Aquests reptes es compliquen encara més per la necessitat de garantir un funcionament altament fiable en entorns durs susceptibles a la brutícia, la humitat i les vibracions.
A més, els clients esperen una funcionalitat millorada en les generacions posteriors de sistemes d'automatització, tot sense augmentar el consum d'energia, la mida del dispositiu, la generació de calor o el cost. Aquesta funcionalitat millorada sovint es basa en els avenços de la tecnologia electrònica, però sovint té un cost: toleràncies de potència més estrictes i augments dels nivells de tensió que han de romandre estables malgrat les fonts d'alimentació imperfectes.
Tanmateix, els enginyers no volen dedicar un temps valuós al projecte dissenyant una font d'alimentació que passa desapercebuda pels clients i que sovint es considera una pèrdua d'espai valuós. En canvi, els enginyers prefereixen centrar-se en funcions que distingeixen clarament els seus sistemes d'automatització dels competidors.
Els proveïdors de semiconductors han respost a les demandes conflictives dels dissenyadors de sistemes d'automatització industrial introduint mòduls que integren moltes funcions clau d'alimentació en un sol dispositiu. Tanmateix, els mòduls dissenyats per alimentar-se amb fonts d'alimentació de 12, 24 o 48 VCC que s'utilitzen en sistemes d'automatització industrial s'han de protegir amb pinces de tensió o utilitzar tecnologia de commutació asíncrona per suportar pics de tensió que afecten la font d'alimentació principal. Ambdues solucions donen lloc a sistemes d'alimentació més grans, més cars i menys eficients-exactement el que els enginyers de sistemes intenten evitar.
Aquesta nota d'aplicació és la part 1 de la nostra sèrie de dues-parts sobre reguladors de control industrial. Aquí, parlem de les arquitectures de control industrial i les seves arquitectures d'alimentació úniques, que presenten reptes de disseny. A la part 2 d'aquesta sèrie, parlarem de la propera generació de dispositius d'alimentació que aprofiten les últimes tecnologies de fabricació de silici combinades amb dissenys de xips innovadors.
Arquitectures de control industrial
Tot i que 24VDC s'ha convertit en la tensió de facto per a la majoria d'aplicacions de control industrial (especialment aquelles que utilitzen PLC), 12VDC també és habitual, normalment com a tensió de reserva de bateria o subministrada per fonts d'energia alternatives com ara panells fotovoltaics (PV). La recent introducció de Power over Ethernet (PoE) també ha animat els fabricants d'automatització industrial a dissenyar dispositius alimentats per la font d'alimentació de 48 VDC especificada per aquesta norma. A la figura 1 es mostra un sistema de control industrial típic que utilitza una font d'alimentació de 24 VCC.
Figura 1. Sistema de control industrial típic.
El sistema inclou mòduls d'E/S per rebre informació dels sensors o enviar ordres als actuadors, entrades digitals multi-canal, entrades i sortides analògiques multi-canal, funcions de comunicació i un processador (CPU) enllaçat mitjançant un bus digital. Els PLC solen proporcionar potència de càlcul. L'alimentació es subministra mitjançant la xarxa elèctrica, es redueix a 24 VDC i es distribueix mitjançant un pla posterior.
Després d'un examen més atent de la font d'alimentació del sistema, es fa evident que la complexitat augmenta a causa dels diferents nivells de tensió i corrent requerits pels diferents components del sistema. La figura 2 il·lustra una petita part de l'arquitectura de la font d'alimentació. La font d'alimentació principal de 120 VCA/230 VCA es redueix inicialment mitjançant mòduls d'alimentació industrials a fonts d'alimentació estàndard de 12VDC o 24VDC de la placa posterior del sistema. A nivell del sistema, aquesta tensió de la placa posterior es redueix encara més als nivells de tensió més baixos requerits pels components individuals.
Figura 2. Part de l'arquitectura d'alimentació d'un sistema d'automatització industrial
Per exemple, un PLC pot consistir en un microprocessador, un processador de senyal digital (DSP) i una matriu de portes programables de camp-(FPGA). Aquests dispositius requereixen un rang de tensió de 5V a 1V. Tanmateix, tot el PLC pot requerir fins a 3,5 A de corrent. De la mateixa manera, els mòduls d'E/S analògics multi-canal requereixen fonts d'alimentació de ±15 V i 5 V per a diversos amplificadors, convertidors-a-digitals (ADC) i multiplexors (MUX) amb corrents de fins a 500 mA.
Per complicar encara més les coses, els dissenyadors han de tenir en compte els pics de tensió transitoris ("sobretensions"), que poden afectar el subministrament d'alimentació a través d'esdeveniments com ara llamps a la xarxa de distribució d'energia o mitjançant la commutació ràpida de càrregues pesades que comparteixen el mateix circuit d'alimentació amb sistemes d'automatització industrial. També es poden produir pics de tensió a l'arquitectura de la font d'alimentació, com ara quan els mòduls d'alimentació redueixen la tensió de la font d'alimentació a 12 VDC o 24 VDC, especialment quan s'utilitzen dispositius de tipus commutador-.
Aquests esdeveniments de sobretensió són tan comuns que organitzacions com la Comissió Electrotècnica Internacional (IEC) recomanen que els enginyers dissenyin els seus sistemes per suportar-los. Per exemple, l'IEC 60664 aborda la coordinació de l'aïllament en sistemes de baixa tensió (1 kVAC i 1,5 kVDC), indicant que els equips de "Classe II" (inclosos els tipus utilitzats en automatització industrial) alimentats amb 24 VDC derivats de la xarxa s'han de dissenyar per suportar sobretensions de fins a 60 V.
CC-Nocions bàsiques de regulació de voltatge de CC
CC-La conversió de tensió CC (o "regulació") és un gran negoci i els proveïdors de semiconductors han invertit molt en el desenvolupament d'una àmplia gamma de productes per a totes les aplicacions. Els dispositius es divideixen en dos grups: reguladors de baixa-abandonament (LDO), també coneguts com a reguladors lineals; i reguladors de commutació.
Quan s'ajusten acuradament a les característiques de funcionament de l'aplicació, els reguladors de commutació solen oferir una eficiència més gran en un ampli rang de voltatge d'entrada en comparació amb els LDO. A més, els reguladors de commutació poden augmentar fàcilment ("augmentar-"), rebaixar ("baixar-") i invertir les tensions. (Tingueu en compte que certes parts de les fonts d'alimentació dels sistemes d'automatització industrial requereixen voltatges invertits. En canvi, els LDO només poden revertir).
En comparació amb l'LDO simple i fàcil d'utilitzar-, els reguladors de commutació tenen un inconvenient: el seu disseny és més complex. Això es deu al fet que cal filtrar la sortida per atenuar la tensió i la ondulació de corrent generades per les operacions de commutació d'alta-freqüència. Això pot causar problemes per als xips sensibles i generar interferències electromagnètiques (EMI). Malgrat això, els enginyers que dissenyen moltes aplicacions contemporànies afavoreixen cada cop més els reguladors de commutació.
La clau del funcionament dels reguladors de commutació és l'ús de transistors d'efecte de camp de-òxid-semiconductor-de metall (MOSFET) com a dispositius de commutació. Quan el MOSFET està encès, el corrent flueix tant a la càrrega com a un inductor extern que emmagatzema energia. Quan el MOSFET està apagat, l'inductor proporciona l'energia emmagatzemada a la càrrega.
La modulació d'amplada de pols (PWM) s'utilitza normalment per controlar la tensió de sortida. La freqüència es manté constant, mentre que l'amplada del pols (el "-hora d'encesa") s'ajusta per proporcionar la tensió desitjada. La commutació d'alta-freqüència del regulador minimitza les pèrdues en el sistema alhora que manté una sortida de tensió relativament estable en un rang de condicions d'entrada i càrrega.
En un regulador de commutació de topologia asíncrona (figura 3), l'energia emmagatzemada a l'inductor i després transferida a la càrrega durant el cicle de desactivació del MOSFET no flueix directament a la càrrega. En canvi, es propaga a través d'un díode Schottky extern. Si l'inductor es selecciona segons la càrrega esperada, el regulador de commutació funcionarà en mode de conducció contínua, proporcionant una regulació estable.
Figura 3. Circuit regulador buck asíncron.
L'eficiència final d'aquest tipus de regulador de commutació està determinada principalment per dos factors: la caiguda de tensió directa del díode Schottky extern i les característiques del corrent de fuga inversa del dispositiu. En els dispositius moderns, la caiguda de tensió directa s'acosta al límit d'aproximadament 0,3 V. Això pot semblar poc, però resulta en un consum d'energia continu i una eficiència reduïda.
La substitució dels díodes Schottky per MOSFET millora l'eficiència perquè la resistència a l'encesa (Ron) dels transistors es pot reduir mitjançant tècniques de fabricació avançades, donant lloc a una tensió directa (i pèrdues) més baixa que els díodes originals. Els dos MOSFET d'aquest circuit han de funcionar de manera sincrònica, un conductor i l'altre bloquejant. (Vegeu la figura 4.)
Figura 4. Circuit regulador buck síncron.
El segon MOSFET de l'anomenat-regulador síncron es pot integrar al mòdul. A més d'eliminar la necessitat d'un díode Schottky extern, això simplifica el disseny del circuit i redueix la llista de materials (BOM).
Un efecte secundari del disseny del regulador síncron és que el corrent flueix bidireccionalment a l'inductor a causa de l'operació de commutació dels dos MOSFET (és a dir, les pèrdues de l'inductor duplicades). Això contrasta amb el flux unidireccional dels tipus asíncrons. En els reguladors síncrons, les pèrdues solen ser petites, però amb càrregues més baixes, l'eficiència del dispositiu pot ser inferior a la dels tipus asíncrons equivalents, donant lloc a pèrdues més grans.
Els principals proveïdors de semiconductors han abordat aquest inconvenient mitjançant diverses tecnologies. Per exemple, Maxim Integrated ha introduït una sèrie de reguladors síncrons d'alta tensió-, com ara el MAX17503, que inclou una funció MODE que permet que el dispositiu funcioni en tres modes seleccionables: PWM, modulació de freqüència de pols (PFM) i mode de conducció discontínua (DCM). PWM s'utilitza per al funcionament normal. PFM millora l'eficiència amb càrregues més baixes eliminant el corrent d'inductància inversa i saltant polsos. DCM també elimina el corrent d'inductància inversa per millorar l'eficiència amb càrregues més baixes, però no salta polsos. Això fa que DCM sigui adequat per a aplicacions-sensibles a la freqüència.
Resum
Els reguladors síncrons d'alta-tensió i corrent-de sortida alta satisfan la demanda de mòduls de potència compactes, eficients i-de-dissenyar en automatització industrial. Diversos factors han contribuït al repte de l'alimentació industrial, però ara hi ha disponible una arquitectura de regulador síncron d'alta tensió-per satisfer tots els requisits. Tot i que la selecció actual de components adequats és limitada, la gamma continua ampliant-se per complir amb tots els requisits de conversió de voltatge de CC-CC dels sistemes típics, amb sortides de potència que van des de centenars de mil·liampers fins a diversos amperes. A la part 2, parlarem de com les noves innovacions en reguladors síncrons poden ajudar a abordar els reptes del consum d'energia.