Mae dylunwyr systemau awtomeiddio diwydiannol yn wynebu heriau cynyddol. Gall mowntio rac o'r fath arwain at fwy o faint a chyfyngiadau thermol. Mewn amgylcheddau diwydiannol llym, lle mae offer electronig sensitif yn gofyn am folteddau wedi'u rheoleiddio'n dynn, mae cwsmeriaid yn mynnu perfformiad ac ymarferoldeb uwch. Yn Rhan 1 o'r gyfres ddwy ran hon, byddwn yn archwilio'r gofynion sy'n gwrthdaro ar gyflenwadau pŵer diwydiannol a'r cyfaddawdau sy'n gysylltiedig ag atebion cyffredin.
Cyflwyniad
Mae dylunio system awtomeiddio diwydiannol yn cyflwyno heriau unigryw. Mewn gwirionedd, mae'n stori o ofynion sy'n gwrthdaro. Mae cyflwyno raciau modiwlaidd cost isel i gydrannau system tŷ fel rheolwyr rhesymeg rhaglenadwy (PLCs) a modiwlau I/O yn gosod lle difrifol a chyfyngiadau thermol ar beirianwyr ac atebion. Mae'r heriau hyn yn cael eu gwaethygu gan yr angen i sicrhau gweithrediad dibynadwy iawn mewn amgylcheddau garw sy'n agored i faw, lleithder a dirgryniad.
Yn ogystal, mae cwsmeriaid yn disgwyl gwell ymarferoldeb mewn cenedlaethau dilynol o systemau awtomeiddio, pob un heb gynyddu defnydd pŵer, maint offer, cynhyrchu gwres a chost. Mae gwelliannau o'r fath yn aml yn seiliedig ar ddatblygiadau mewn electroneg, ond yn aml maent yn dod am bris: goddefiannau pŵer tynnach ac ymchwyddiadau mewn lefelau foltedd y mae'n rhaid iddynt aros yn sefydlog wrth ddod o gyflenwadau pŵer llai na pherffaith.
Fodd bynnag, nid yw peirianwyr eisiau treulio amser prosiect gwerthfawr yn dylunio cyflenwad pŵer sy'n cael ei sylwi gan gwsmeriaid ac yn aml mae'n cael ei ystyried yn wastraff gofod gwerthfawr. Yn lle, mae'n well gan y peiriannydd ganolbwyntio ar bethau sy'n amlwg yn gwahaniaethu ei system awtomeiddio o'r gystadleuaeth.
Mae cyflenwyr lled -ddargludyddion wedi ymateb i anghenion gwrthgyferbyniol dylunwyr system awtomeiddio diwydiannol trwy gyflwyno modiwlau sy'n integreiddio llawer o swyddogaethau allweddol cyflenwad pŵer i mewn i un ddyfais. Fodd bynnag, rhaid i fodiwlau sydd wedi'u cynllunio i gael eu pweru gan y cyflenwadau 12, 24, neu 48VDC a ddefnyddir gan systemau awtomeiddio diwydiannol naill ai gael eu gwarchod gan glampiau foltedd neu ddefnyddio technegau newid asyncronig i wrthsefyll y pigau foltedd sy'n plagio'r cyflenwad prif gyflenwad. Mae'r ddau ddatrysiad yn arwain at systemau pŵer mwy, drutach a llai effeithlon - yn union yr hyn y mae peirianwyr system yn ceisio ei osgoi.
Mae'r nodyn cais hwn yn rhan 1 o'n cyfres ddwy ran ar reoleiddwyr rheolaeth ddiwydiannol. Yma, rydym yn trafod pensaernïaeth rheolaeth ddiwydiannol a'r pensaernïaeth cyflenwad pŵer sy'n eu gwneud yn unigryw, her ddylunio. Yn Rhan 2 o'r gyfres hon, byddwn yn trafod y genhedlaeth nesaf o ddyfeisiau pŵer sy'n defnyddio'r technegau saernïo silicon diweddaraf ynghyd â dyluniadau sglodion arloesol.
Pensaernïaeth Rheoli Diwydiannol
Er bod 24VDC wedi dod yn foltedd de facto ar gyfer y mwyafrif o gymwysiadau rheolaeth ddiwydiannol (yn enwedig y rhai sy'n defnyddio PLCs), mae 12VDC hefyd yn gyffredin ac yn aml fe'i defnyddir fel foltedd wrth gefn batri neu a ddarperir gan ffynonellau ynni amgen fel paneli ffotofoltäig (PV). Mae cyflwyno pŵer dros Ethernet (POE) yn ddiweddar hefyd wedi annog gweithgynhyrchwyr awtomeiddio diwydiannol i ddylunio offer sy'n cael eu pweru gan y cyflenwad 48VDC a bennir yn y safon. Dangosir system reoli ddiwydiannol nodweddiadol sy'n defnyddio cyflenwad pŵer 24VDC yn Ffigur 1.
Ffigur 1. System Rheoli Diwydiannol nodweddiadol.
Mae'r system yn cynnwys modiwlau I/O ar gyfer derbyn gwybodaeth gan synwyryddion neu anfon gorchmynion at actiwadyddion, mewnbynnau digidol aml-sianel, mewnbynnau ac allbynnau analog aml-sianel, swyddogaethau cyfathrebu, a phrosesydd (CPU) wedi'u cysylltu trwy fws digidol. Mae'r PLC PLC yn nodweddiadol yn darparu'r pŵer cyfrifiadurol. Mae pŵer yn cael ei gyflenwi o'r cyfleustodau, camu i lawr i 24VDC, a'i ddosbarthu trwy'r backplane.
Mae edrych yn agosach ar gyflenwad pŵer y system yn datgelu mwy o gymhlethdod oherwydd y gwahanol foltedd a'r lefelau cyfredol sy'n ofynnol gan y gwahanol gydrannau system. Mae Ffigur 2 yn dangos cyfran fach o'r bensaernïaeth bŵer. I ddechrau, mae prif gyflenwad pŵer 120VAC/230VAC yn cael ei gamu i lawr i gyflenwad pŵer backplane safonol 12VDC neu 24VDC gan ddefnyddio modiwl pŵer diwydiannol. Ar lefel y system, mae'r foltedd backplane hwn yn cael ei gamu ymhellach i lawr i'r lefelau foltedd is sy'n ofynnol gan y cydrannau unigol.
Ffigur 2. Rhan o bensaernïaeth pŵer system awtomeiddio diwydiannol.
Er enghraifft, gall PLC gynnwys microbrosesydd, prosesydd signal digidol (DSP), ac arae giât y gellir ei raglennu maes (FPGA). Mae'r dyfeisiau hyn yn gofyn am ystod foltedd o 5V i 1V. Fodd bynnag, efallai y bydd angen hyd at 3.5A o gerrynt ar y PLC cyfan. Yn yr un modd, mae modiwlau I/O analog aml-sianel yn gofyn am gyflenwadau ± 15V a 5V ar gyfer chwyddseinyddion amrywiol, trawsnewidyddion analog-i-ddigidol (ADCs), a amlblecswyr (MUXs) gyda cheryntau hyd at 500mA.
Er mwyn cymhlethu materion, mae angen i ddylunwyr ystyried pigau foltedd dros dro ("gor -foltedd") sy'n effeithio ar gyflenwadau pŵer trwy ddigwyddiadau fel streiciau mellt ar y rhwydwaith dosbarthu neu trwy newid llwythi trwm yn gyflym sy'n rhannu'r un cylchedau pŵer â'r system awtomeiddio diwydiannol. Gall pigau foltedd hefyd ddigwydd yn y bensaernïaeth cyflenwad pŵer ei hun, er enghraifft, pan fydd modiwl cyflenwad pŵer yn camu'r foltedd cyflenwi i 12VDC neu 24VDC, yn enwedig wrth ddefnyddio dyfeisiau math modd switsh.
Mae'r digwyddiadau gor -foltedd hyn mor gyffredin nes bod sefydliadau fel y Comisiwn Electrocemegol Rhyngwladol (IEC) yn argymell bod peirianwyr yn dylunio eu systemau i'w gwrthsefyll. Er enghraifft, mae IEC 60664, sy'n delio â chydlynu inswleiddio mewn systemau foltedd isel (1KVAC a 1.5KVDC), yn nodi y dylid cynllunio offer "Dosbarth II" (gan gynnwys mathau o offer a ddefnyddir mewn awtomeiddio diwydiannol) sy'n cael eu pweru gan gyflenwadau 24VDC sy'n deillio o gyfleustodau i wrthsefyll gor -foltedd o hyd at 60V.
Hanfodion Rheoleiddio Foltedd DC-DC
Mae trosi foltedd DC-DC (neu "reoleiddio") yn fusnes mawr, ac mae cyflenwyr lled-ddargludyddion wedi buddsoddi'n helaeth wrth ddatblygu ystod eang o gynhyrchion ar gyfer pob cais. Rhennir dyfeisiau yn ddau grŵp: rheolyddion gollwng isel (LDOs), a elwir hefyd yn rheoleiddwyr llinol; a newid rheolyddion.
Pan gânt eu paru'n ofalus â nodweddion gweithredu'r cais, mae newid rheolyddion yn nodweddiadol yn fwy effeithlon dros ystod foltedd mewnbwn eang o gymharu ag LDOS. Yn ogystal, gall newid rheolyddion camu i fyny yn hawdd ("hwb"), camu i lawr ("bwch"), a gwrthdroi folteddau. (Sylwch fod angen folteddau gwrthdroi ar gyfer rhai rhannau o gyflenwadau pŵer system awtomeiddio diwydiannol. Mewn cyferbyniad, dim ond folteddau y gall LDOs gamu i lawr.
Mae gan reoleiddwyr newid un anfantais dros LDOs hawdd ei ddefnyddio: mae dyluniad y rheolydd yn fwy cymhleth. Mae hyn oherwydd bod angen hidlo allbwn i wanhau'r foltedd a'r crychdonnau cyfredol a gynhyrchir gan weithrediadau newid amledd uchel. Mae hyn yn achosi problemau ar gyfer sglodion sensitif ac yn cynhyrchu ymyrraeth electromagnetig (EMI). Er gwaethaf hyn, mae peirianwyr sy'n dylunio llawer o gymwysiadau cyfoes yn ffafrio newid rheolyddion yn gynyddol.
Yr allwedd i weithredu rheolyddion newid yw defnyddio transistorau effaith maes lled -ddargludyddion metel ocsid (MOSFETs) fel dyfeisiau newid. Pan fydd y MOSFET ymlaen, mae cerrynt yn llifo i'r llwyth ac i inductor allanol sy'n storio'r egni. Pan fydd y MOSFET yn diffodd, mae'r inductor yn darparu ei egni wedi'i storio i'r llwyth.
Yn nodweddiadol, defnyddir modiwleiddio lled pwls (PWM) i reoli'r foltedd allbwn. Mae'r amledd yn cael ei ddal yn gyson ac mae lled y pwls ("ar amser") yn cael ei addasu i ddarparu'r foltedd a ddymunir. Mae newid amledd uchel y rheolydd yn cyfyngu ar golledion yn y system wrth gynnal allbwn foltedd cymharol sefydlog dros ystod o fewnbynnau a llwythi.
Mewn rheolydd newid topoleg asyncronig (Ffigur 3), nid yw'r egni sy'n cael ei storio yn yr inductor ac yna'n cael ei drosglwyddo i'r llwyth yn ystod y cylch MOSFET OFF yn llifo'n uniongyrchol i'r llwyth. Yn lle, mae'n cael ei luosogi trwy ddeuod Schottky allanol. Os dewisir yr inductor yn seiliedig ar y llwyth disgwyliedig, bydd y rheolydd newid yn gweithredu yn y modd dargludiad parhaus, gan ddarparu foltedd rheoledig sefydlog.
Ffigur 3. Cylched rheolydd bwch asyncronig.
Mae effeithlonrwydd eithaf y rheolyddion newid hyn yn cael ei bennu gan ddau brif ffactor: gostyngiad foltedd ymlaen y deuod Schottky allanol a nodweddion cyfredol gollwng y ddyfais. Mewn dyfeisiau modern, mae'r cwymp foltedd ymlaen yn agosáu at derfyn o tua 0. 3V. Nid yw hyn yn swnio fel llawer, ond mae'n arwain at yfed dyfeisiau yn gyson a llai o effeithlonrwydd.
Mae disodli'r deuod Schottky â MOSFET yn gwella effeithlonrwydd oherwydd gellir gostwng y gwrthiant (ar r) y transistor gan ddefnyddio technegau saernïo datblygedig i gadw'r foltedd ymlaen (a'r colledion) ymlaen yn is na'r deuod gwreiddiol. Rhaid cydamseru gweithrediad y ddau mosfet yn y gylched hon fel bod un yn ymddwyn a'r llall yn diffodd.
Ffigur 4. Cylchdaith Rheoleiddiwr Bwch Cydamserol.
Gellir integreiddio ail MOSFET y rheolydd cydamserol, fel y'i gelwir, i'r modiwl. Yn ogystal â dileu'r deuod Schottky allanol, mae hyn yn symleiddiodyluniad y gylchedac yn lleihau'r bil deunyddiau (BOM).
Sgil -effaith dyluniad y rheolydd cydamserol yw, oherwydd gweithrediad newid y ddau MOSFET (hy, dyblu colledion anwythol), llifau cerrynt i'r ddau gyfeiriad yn yr inductor. Mae hyn yn cael ei gymharu â'r llif un cyfeiriadol yn y math asyncronig. Mewn rheolyddion cydamserol, mae'r colledion fel arfer yn fach, ond yn dod yn fwy ar lwythi is pan all effeithlonrwydd y ddyfais fod yn is na'r math asyncronig cyfatebol.
Mae cyflenwyr lled -ddargludyddion mawr wedi mynd i'r afael â'r diffyg hwn gan ddefnyddio amrywiaeth o dechnegau. Er enghraifft,MaximIntegredigwedi cyflwyno cyfres ofoltedd uchelRheoleiddwyr cydamserol, fel y Max17503, gyda swyddogaeth modd y gellir ei defnyddio i weithredu'r ddyfais mewn tri dull gweithredu selectable: PWM, modiwleiddio amledd pwls (PFM) a'r modd dargludiad amharhaol (DCM). Mae DCM hefyd yn dileu cerrynt inductor gwrthdroi i wella effeithlonrwydd ar lwythi is, ond nid yw'n hepgor corbys. Mae hyn yn gwneud DCM yn addas ar gyfer cymwysiadau sy'n sensitif i amledd.
Nghryno
Mae rheoleiddwyr cydamserol uchel-foltedd, allbwn uchel yn diwallu anghenion awtomeiddio diwydiannol ar gyfer modiwlau pŵer cryno, effeithlon a hawdd eu dylunio. Mae sawl ffactor wedi cyfrannu at y cyfyng-gyngor pŵer diwydiannol, ond mae pensaernïaeth rheolydd cydamserol foltedd uchel sy'n diwallu'r holl anghenion bellach ar gael. Er bod y dewis cyfredol o gydrannau addas yn gyfyngedig, mae'r ystod yn parhau i ehangu i fodloni holl ofynion trosi foltedd DC-DC system nodweddiadol, gydag allbynnau pŵer yn amrywio o ychydig gannoedd o filiamps i sawl amp. Yn Rhan 2, byddwn yn trafod sut mae arloesiadau newydd mewn rheoleiddwyr cydamserol yn helpu i ddatrys yr her defnydd pŵer.