Hönnuðir iðnaðar sjálfvirkni kerfi standa frammi fyrir auknum áskorunum. Rekki að festa slíkan búnað getur leitt til aukinnar stærðar og hitauppstreymis. Í harkalegu iðnaðarumhverfi, þar sem viðkvæmur rafeindabúnaður krefst þéttrar spennu, krefjast viðskiptavinir meiri afköst og virkni. Í 1. hluta þessarar tveggja hluta seríu munum við kanna andstæðar kröfur um iðnaðargjafabirgðir og viðskipti sem tengjast sameiginlegum lausnum.
INNGANGUR
Iðnaðar sjálfvirkni kerfishönnun býður upp á einstök viðfangsefni. Reyndar er það saga af misvísandi kröfum. Að kynna lágmarkskostnaðar mát rekki fyrir húsakerfisíhluti eins og forritanlegir rökstýringar (PLCS) og I/O einingar setur alvarlegt rými og hitauppstreymi á verkfræðingum og lausnum. Þessar áskoranir eru bætt við nauðsyn þess að tryggja mjög áreiðanlegan rekstur í hörðu umhverfi sem er næmt fyrir óhreinindum, rakastigi og titringi.
Að auki reikna viðskiptavinir við aukinni virkni í síðari kynslóðum sjálfvirkni, allt án þess að auka orkunotkun, stærð búnaðar, hitamyndunar og kostnaðar. Slíkar endurbætur eru oft byggðar á framförum í rafeindatækni, en koma oft á verði: hertari aflþoli og bylgja í spennustigum sem verða að vera stöðugar þegar þeir koma frá minna en fullkomnum aflgjafa.
Samt sem áður vilja verkfræðingar ekki eyða dýrmætum verkefnistíma í að hanna aflgjafa sem fara óséður af viðskiptavinum og eru oft álitnir sóun á dýrmætu rými. Í staðinn vill verkfræðingurinn einbeita sér að hlutum sem greinilega aðgreina sjálfvirkni hans frá samkeppninni.
Birgjar hálfleiðara hafa brugðist við andstæðum þörfum hönnuðar iðnaðar sjálfvirkni kerfisins með því að kynna einingar sem samþætta margar af lykilaðgerðum aflgjafa í eitt tæki. Hins vegar verður að vernda einingar sem hannaðar eru til að knýja af 12, 24 eða 48VDC birgðirnar sem notaðar eru af iðnaðar sjálfvirkni kerfum með spennuklemmum eða nota ósamstillta rofaaðferðir til að standast spennuhoppana sem plaga aðalframboðið. Báðar lausnirnar leiða til stærri, dýrari og minna skilvirkra raforkukerfa - nákvæmlega það sem kerfisverkfræðingar eru að reyna að forðast.
Þessi umsóknarbréf er hluti 1 af tveggja hluta seríum okkar um eftirlitsstofnanir í iðnaði. Hér ræðum við iðnaðareftirlitsarkitektúr og arkitektúr af aflgjafa sem gera þær einstök, hönnunaráskorun. Í 2. hluta þessarar seríu munum við ræða næstu kynslóð raftækja sem nota nýjustu kísilframleiðslutækni ásamt nýstárlegri flísarhönnun.
Industrial Control arkitektúr
Þrátt fyrir að 24VDC hafi orðið reyndar spennu fyrir flestar iðnaðarstýringarforrit (sérstaklega þær sem nota PLC), er 12VDC einnig algengt og er oft notað sem afritunarspenna rafhlöðu eða veitt með öðrum orkugjafa eins og ljósgeislaspjöldum (PV) spjöldum. Nýleg kynning á valdi yfir Ethernet (POE) hefur einnig hvatt iðnaðar sjálfvirkni framleiðendur til að hanna búnað sem knúinn er af 48VDC framboði sem tilgreindur er í staðlinum. Dæmigert iðnaðarstjórnunarkerfi sem notar 24VDC aflgjafa er sýnt á mynd 1.
Mynd 1. Dæmigert iðnaðareftirlitskerfi.
Kerfið samanstendur af I/O einingum til að fá upplýsingar frá skynjara eða senda skipanir til stýrivélar, fjölrásir stafrænar aðföng, fjölrásar hliðstæða inntak og framleiðsla, samskiptaaðgerðir og örgjörva (CPU) tengdur með stafrænum strætó. PLC veitir venjulega tölvukraft. Kraftur er afhentur frá veitunni, stigið niður í 24VDC og dreift í gegnum bakplanið.
Nánari skoðun á aflgjafa kerfisins leiðir í ljós meiri flækjustig vegna mismunandi spennu og straumstigs sem krafist er af hinum ýmsu kerfishlutum. Mynd 2 sýnir lítinn hluta af kraftarkitektúrnum. 120VAC/230VAC aðal aflgjafinn er upphaflega aukinn niður í venjulegt 12VDC eða 24VDC kerfisafl aflgjafa með iðnaðaraflseining. Á kerfisstiginu er þessum bakplanspennu enn frekar stigið niður í lægri spennu sem krafist er af einstökum íhlutum.
Mynd 2. Hluti af kraftarkitektúr iðnaðar sjálfvirkni.
Sem dæmi má nefna að PLC getur samanstendur af örgjörvi, stafrænu merki örgjörva (DSP) og sviði-forritanlegu hliðar fylki (FPGA). Þessi tæki þurfa spennusvið 5V til 1V. Hins vegar getur allt PLC krafist allt að 3,5A straums. Að sama skapi þurfa fjölrásar hliðstæða I/O einingar ± 15V og 5V birgðir fyrir ýmsa magnara, hliðstæða til stafrænu breytum (ADC) og margfeldi (MUX) með strauma allt að 500mA.
Til að flækja málin þurfa hönnuðir að íhuga tímabundna spennutoppur („yfirspennu“) sem hafa áhrif á aflgjafa með atburðum eins og eldingarárásir á dreifikerfinu eða með því að skipta hratt um mikið álag sem deila sömu rafrásum og sjálfvirkni kerfisins. Spennutoppar geta einnig komið fram í aflgjafa arkitektúrnum sjálfum, til dæmis þegar aflgjafaeiningin lækkar framboðsspennuna í 12VDC eða 24VDC, sérstaklega þegar notuð er að nota tæki til að nota.
Þessir yfirspennuviðburðir eru svo algengir að samtök eins og Alþjóðlega rafefnafræðilega framkvæmdastjórnin (IEC) mæla með því að verkfræðingar hanni kerfin sín til að standast þau. Sem dæmi má nefna að IEC 60664, sem fjallar um samhæfingu einangrunar í lágspennu (1KVAC og 1,5KVDC), segir að „flokkur II“ búnaður (þ.mt gerðir búnaðar sem notaðir eru í sjálfvirkni iðnaðar) sem knúnir eru af 24VDC birgðir til að standast ofgnótt af allt að 60V.
DC-DC spennureglugerð
DC-DC spennubreyting (eða „reglugerð“) er stórfyrirtæki og birgjar hálfleiðara hafa fjárfest mikið í að þróa fjölbreytt úrval af vörum fyrir öll forrit. Tækjum er skipt í tvo hópa: lága brottfallseftirlit (LDOs), einnig þekktir sem línulegir eftirlitsstofnanir; og skipta eftirlitsaðilum.
Þegar það er vandlega passað við rekstrareinkenni forritsins eru skiptir eftirlitsaðilar yfirleitt skilvirkari á breitt inntaksspennusvið samanborið við LDO. Að auki geta skiptir eftirlitsaðilar auðveldlega stigið upp („uppörvun“), stigið niður („buck“) og hvolft spennu. (Athugið að sumir hlutar aflgjafa fyrir sjálfvirkni iðnaðar þurfa að snúa spennu. Aftur á móti geta LDOs aðeins stigið niður spennu.
Skiptaeftirlitsstofnanir hafa einn ókost yfir LDOS sem auðvelt er að nota: hönnun eftirlitsstofnanna er flóknari. Þetta er vegna þess að framleiðsla síun er nauðsynleg til að draga úr spennunni og núverandi gára sem myndast með hátíðni rofaaðgerðum. Þetta veldur vandamálum fyrir viðkvæma flís og býr til rafsegultruflanir (EMI). Þrátt fyrir þetta eru verkfræðingar sem hanna mörg samtímaforrit í auknum mæli hlynnt að skipta um eftirlitsstofnanir.
Lykillinn að rekstri skiptis eftirlitsaðila er notkun málmoxíðs hálfleiðara reitsáhrifa smára (MOSFETs) sem rofabúnað. Þegar MOSFET er á rennur straumur bæði til álagsins og til utanaðkomandi spólunar sem geymir orkuna. Þegar MOSFET slokknar veitir inductor geymd orku sína til álagsins.
Púlsbreidd mótun (PWM) er venjulega notuð til að stjórna framleiðsluspennunni. Tíðni er haldin stöðug og púlsbreiddin („á réttum tíma“) er stillt til að veita tilætluð spennu. Hátíðni skiptingu eftirlitsstofnanna takmarkar tap í kerfinu en viðheldur tiltölulega stöðugum spennuframleiðslu yfir ýmsum aðföngum og álagi.
Í ósamstilltur eftirlitsstofnunum (mynd 3), orkan sem geymd er í spólanum og síðan flutt yfir á álagið meðan á MOSFET stóð rennur ekki beint til álagsins. Í staðinn er það fjölgað í gegnum ytri Schottky díóða. Ef inductorinn er valinn út frá væntanlegu álagi mun skiptisstýringin starfa í stöðugum leiðslustillingu og þannig veitir stöðugan stjórnaðan spennu.
Mynd 3. Ósamstilltur eftirlitsstofnun.
Endanleg skilvirkni þessara skiptingareftirlits er ákvörðuð af tveimur meginþáttum: framspennufalli ytri Schottky díóða og öfugri lekastraumseinkenni tækisins. Í nútíma tækjum nálgast framspennufallið um það bil 0. 3V. Þetta hljómar ekki eins mikið, en það leiðir til stöðugrar neyslu tækisins og minni skilvirkni.
Skipt er um Schottky díóða með MOSFET bætir skilvirkni vegna þess að hægt er að lækka ónæmis (á R) smári með því að nota háþróaða framleiðslutækni til að halda fram spennu (og tapi) lægra en upprunalega díóða. Samstilla þarf rekstur tveggja MOSFET í þessari hringrás þannig að annar leiði og hinn slokknar.
Mynd 4. Samstilltur eftirlitsstofnunarrás.
Hægt er að samþætta annað MOSFET svokallaðs samstillta eftirlitsstofnana í eininguna. Auk þess að útrýma ytri Schottky díóða, þá einfaldar þettaHringrásarhönnuninog dregur úr efnisreikningi (bom).
Aukaverkun af samstilltu eftirlitsstofnunarhönnuninni er að vegna þess að skipt er um notkun MOSFET tveggja (þ.e. Þetta er borið saman við einátta flæði í ósamstillta gerðinni. Í samstilltum eftirlitsaðilum eru tapið venjulega lítið, en verða stærra við lægri álag þegar skilvirkni tækisins getur verið lægra en samsvarandi ósamstilltur tegund.
Helstu hálfleiðara birgjar hafa tekið á þessum galla með margvíslegum aðferðum. Til dæmis,HámarkSamþætthefur kynnt röðháspennuSamstilltar eftirlitsstofnanir, svo sem MAX17503, með stillingu sem hægt er að nota til að stjórna tækinu í þremur valnum aðgerðum: PWM, púls-tíðni mótun (PFM) og ósamfelld leiðni (DCM). DCM útrýmir einnig öfugum inductor straumi til að bæta skilvirkni við lægri álag, en sleppir ekki belgjurtum. Þetta gerir DCM hentugt fyrir tíðni viðkvæm forrit.
Yfirlit
Háspennu, háafgreiðslustraumar samstilltar eftirlitsaðilar uppfylla þarfir sjálfvirkni iðnaðar fyrir samningur, skilvirka og auðvelda krafteiningar. Nokkrir þættir hafa stuðlað að vanda iðnaðaraflsins, en háspennu samstilltur eftirlitsstofnunararkitektúr sem uppfyllir allar þarfir eru nú fáanlegar. Þó að núverandi val á viðeigandi íhlutum sé takmarkað heldur sviðið áfram að stækka til að uppfylla allar kröfur um umbreytingu DC-DC spennu í dæmigerðu kerfi, með afköstum á bilinu nokkur hundruð milliamps til nokkurra magnara. Í 2. hluta munum við ræða hvernig nýjar nýjungar í samstilltum eftirlitsaðilum hjálpa til við að leysa orkunotkunaráskorunina.