為24V+工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計效率超過90的20W-30W電源

介紹
工業(yè)自動化系統(tǒng)正在經(jīng)歷一場革命，以減少延遲和停機時間。這項被稱為工業(yè)4.0的工作將在工廠內(nèi)部增加更多的智能，從HMI面板和控制器到通信模塊、執(zhí)行器和傳感器。
這場革命與網(wǎng)絡(luò)革命類似，網(wǎng)絡(luò)革命的智能從核心路由器增加到地鐵、邊緣，一直到最后一英里。通過將工廠處理智能分發(fā)到邊緣（通過傳感器和通信模塊），可以更快地做出常規(guī)問題的決策，而不需要涉及主處理器（位于PLC中）。額外的智能必須在工廠車間使用相同或更少的空間，要求在更小的形式因素下增加產(chǎn)品的功能。
這種縮小的PCB尺寸強調(diào)了散熱性。熱管理選項，如散熱器，被排除，因為板空間是溢價的。強制氣流的風(fēng)扇不能使用，因為密封的外殼可以防止灰塵和污染物進入。因此，電源解決方案必須非常高效，同時提供更高的電力和占用更小的區(qū)域。在這個電源設(shè)計解決方案中，我們將考慮到這些需求，同時我們審查20W-30W電源的可用選項，比較性能，并確定最佳解決方案。

解決耗消耗問題
工業(yè)應(yīng)用的特點是一個24V標(biāo)稱直流電壓總線，在舊的模擬繼電器中有其歷史，并且仍然是事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，對于非關(guān)鍵設(shè)備，工業(yè)應(yīng)用的最大工作電壓預(yù)計為36V-40V，而關(guān)鍵設(shè)備，如控制器、執(zhí)行器和安全模塊，必須支持60V（IEC61131-2、60664-1和61508SIL標(biāo)準(zhǔn)）。流行的輸出電壓是3.3V和5V，電流在小型傳感器中的10mA到運動控制、CNC和PLC應(yīng)用中的10s安培不等。因此，顯而易見的選擇是什么。

控制應(yīng)用是一種降壓（降壓）電壓調(diào)壓器。
HMI面板：人機界面顯示面板，通常包含驅(qū)動控制按鈕，可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、計算機數(shù)控（CNC）
通信模塊：數(shù)字和模擬I/O模塊，使用程序線、控制器、設(shè)備網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)、SercosIII、I/O鏈路、以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)。
執(zhí)行器：電機，驅(qū)動器，運動控制，機器人傳感器：壓力，溫度，接近，光，和各種其他傳感器。

最常見的降壓架構(gòu)是非同步降壓轉(zhuǎn)換器，因為半導(dǎo)體制造商很容易為高壓設(shè)計非同步降壓調(diào)節(jié)器。在這種結(jié)構(gòu)中，低側(cè)整流二極管是在集成電路的外部。
對于24V輸入和5V輸出，降壓轉(zhuǎn)換器的工作占空比約為20%。這意味著內(nèi)部高側(cè)晶體管（圖1中的T）只傳導(dǎo)20%的時間。外部整流二極管(D)傳導(dǎo)剩余80%的時間，占功耗的大部分。
例如，在4A負載下，肖特基整流二極管，如B560C，顯示出約0.64V的電壓降。因此，在80%占空比時，傳導(dǎo)損耗（滿載時的主要損耗）近似等于（0.64V）×（4A）×（0.80）=2W。
另一方面，如果我們使用一個同步架構(gòu)（圖2），那么二極管將被一個作為同步整流器的低側(cè)MOSFET所取代。我們可以權(quán)衡通過二極管的0.64V的下降與通過MOSFET晶體管的T2上電阻，R的下降ds（開啟）.

圖1。非同步降壓轉(zhuǎn)換器

在我們的例子中，MOSFETRJK0651DPB有一個Rds（開啟）只有11mΩ，與一個包的大小類似于肖特基整流器。這導(dǎo)致相應(yīng)的電壓降僅為（11mΩ）×（4A）=44mV，而功率損失僅為（0.044V）×（4A）×（0.80）=141mW。

MOSFET的功率損失大約比滿負荷時的肖特基功率損失小14倍！顯然，最小化功耗的邏輯方法是使用同步整流。

圖2。同步降壓轉(zhuǎn)換器

為了最小化電源電路的整體尺寸，較新的同步整流集成電路應(yīng)包括對任何頻率和輸出電壓的內(nèi)部補償，而不需要一個大的輸出電容器。它們還應(yīng)該在高頻下工作，以允許使用小型電感器和電容器

圖3。MAX1753624VIN/5VOUT，4A同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路

MAX17536與。一個基于已發(fā)布的規(guī)范的非同步解決方案如圖4所示。對于這兩種設(shè)備，測試條件分別為24V輸入和5V，4A輸出。正如預(yù)期的那樣，Maxim的同步解決方案在整個負載電流范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的效率。在滿載（4A）下，Maxim的同步解決方案的效率在92%以上，而非同步設(shè)備的效率只有86%左右，效率差異在6%以上。

圖4。同步與非同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率

結(jié)論

在工業(yè)應(yīng)用中面臨的功耗挑戰(zhàn)時，使用MAX17536提出了一種在高輸入電壓下采用同步整流的解決方案。同步解決方案顯示了一個明顯的效率優(yōu)勢，減輕了功耗方面的挑戰(zhàn)。

審核編輯黃昊宇