工業(yè)自動化電源困境：工業(yè)控制架構(gòu)

工業(yè)自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。機(jī)架安裝此類設(shè)備會導(dǎo)致尺寸和熱約束增加。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，敏感的電子設(shè)備需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)的電壓，客戶需要更高的性能和功能。在這個(gè)由兩部分組成的系列的第 1 部分中，我們將探討對工業(yè)電源的相互沖突的需求以及與常見解決方案相關(guān)的權(quán)衡。

介紹

工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，這是一個(gè)相互沖突的需求的故事。引入低成本模塊化機(jī)架來容納可編程邏輯控制器 （PLC） 和 I/O 模塊等系統(tǒng)組件，對工程師和解決方案造成了嚴(yán)重的空間和熱限制。由于需要在易受污垢、濕度和振動影響的惡劣環(huán)境中確保高度可靠的運(yùn)行，這些挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。

此外，客戶期望后續(xù)幾代自動化系統(tǒng)的功能得到增強(qiáng)，并且所有這些都不會增加功耗、設(shè)備尺寸、發(fā)熱和成本。這種增強(qiáng)的功能通常以電子技術(shù)的進(jìn)步為基礎(chǔ)，但往往有代價(jià)：更嚴(yán)格的功率容差和電壓水平的激增，這些電壓水平必須保持穩(wěn)定，同時(shí)來自不太完美的電源。

然而，工程師不想花費(fèi)寶貴的項(xiàng)目時(shí)間來設(shè)計(jì)一個(gè)不被客戶注意到的電源，并且通常被認(rèn)為是浪費(fèi)寶貴的空間。相反，工程師更愿意專注于能夠明顯區(qū)分他的自動化系統(tǒng)與競爭對手的事情。

半導(dǎo)體供應(yīng)商通過引入將電源的許多關(guān)鍵功能集成到單個(gè)器件中的模塊來響應(yīng)工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員相互沖突的需求。但是，設(shè)計(jì)為由工業(yè)自動化系統(tǒng)使用的 12、24 或 48VDC 電源供電的模塊必須由電壓鉗保護(hù)或使用異步開關(guān)技術(shù)來承受困擾主電源的電壓尖峰。這兩種解決方案都會導(dǎo)致更大、更昂貴和效率更低的電源系統(tǒng)——這正是系統(tǒng)工程師試圖避免的。

本應(yīng)用筆記是我們關(guān)于工業(yè)控制穩(wěn)壓器的兩部分系列的第1部分。在這里，我們討論工業(yè)控制架構(gòu)，以及使其獨(dú)特的電源架構(gòu)，這是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在本系列的第 2 部分中，我們將討論利用與創(chuàng)新芯片設(shè)計(jì)相結(jié)合的最新硅制造技術(shù)的新一代功率器件。

工業(yè)控制架構(gòu)

雖然24VDC已成為大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用（特別是那些采用PLC的應(yīng)用）的實(shí)際電壓，但12VDC也很常見，通常作為電池備用電壓或由光伏（PV）面板等替代能源提供。最近推出的以太網(wǎng)供電（PoE）也鼓勵(lì)工業(yè)自動化制造商設(shè)計(jì)由該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的48VDC電源供電的設(shè)備。 采用24VDC電源的典型工業(yè)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1.典型的工業(yè)控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)包括用于從傳感器接收信息或向執(zhí)行器發(fā)送指令的I/O模塊、多通道數(shù)字輸入、多通道模擬輸入和輸出、通信功能以及通過數(shù)字總線鏈接的處理器（CPU）。PLC通常提供計(jì)算能力。電力由市電供電，降壓至24VDC，并通過背板分配。

仔細(xì)觀察系統(tǒng)的電源會發(fā)現(xiàn)，由于各種系統(tǒng)元件所需的不同電壓和電流水平，復(fù)雜性更大。圖2顯示了電源架構(gòu)的一小部分。120VAC/230VAC 主電源最初使用工業(yè)電源模塊降壓至標(biāo)準(zhǔn) 12VDC 或 24VDC 系統(tǒng)背板電源。在系統(tǒng)級，該背板電壓進(jìn)一步降壓至各個(gè)組件所需的較低電壓電平。

圖2.工業(yè)自動化系統(tǒng)電源架構(gòu)的一部分。

例如，PLC 可以由微處理器、數(shù)字信號處理器 （DSP） 和現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 組成。這些器件需要 5V 至 1V 的電壓范圍。然而，整個(gè)PLC可能需要高達(dá)3.5A的電流。同樣，多通道模擬I/O模塊需要±15V和5V電源，用于各種放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和電流高達(dá)500mA的多路復(fù)用器（MUX）。

為了使事情變得更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需要考慮瞬態(tài)電壓尖峰（“過電壓”），這些尖峰通過配電網(wǎng)絡(luò)上的雷擊等事件或通過快速切換與工業(yè)自動化系統(tǒng)共享相同電源電路的重負(fù)載來影響電源供電。電源架構(gòu)本身也可能發(fā)生電壓尖峰，例如，當(dāng)電源模塊將電源電壓降壓至12VDC或24VDC時(shí)，特別是在使用開關(guān)模式類型器件時(shí)。

這些過電壓事件非常普遍，以至于國際電化學(xué)委員會（IEC）等組織建議工程師設(shè)計(jì)其系統(tǒng)以承受它們。例如，IEC 60664涉及低壓（1kVAC和1.5kVDC）系統(tǒng)中的絕緣協(xié)調(diào)，指出由市電衍生的24VDC電源供電的“II類”設(shè)備（包括用于工業(yè)自動化的設(shè)備類型）應(yīng)設(shè)計(jì)為可承受高達(dá)60V的過電壓。

DC-DC 電壓調(diào)節(jié)基礎(chǔ)知識

DC-DC電壓轉(zhuǎn)換（或“調(diào)節(jié)”）是一項(xiàng)大生意，半導(dǎo)體供應(yīng)商已投入大量資金為所有應(yīng)用開發(fā)廣泛的產(chǎn)品。器件分為兩組：低壓差穩(wěn)壓器（LDO），也稱為線性穩(wěn)壓器;和開關(guān)穩(wěn)壓器。

當(dāng)與應(yīng)用的工作特性仔細(xì)匹配時(shí)，與LDO相比，開關(guān)穩(wěn)壓器通常在寬輸入電壓范圍內(nèi)效率更高。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松升壓（“升壓”）、降壓（“降壓”）和反相電壓。（請注意，工業(yè)自動化系統(tǒng)電源的某些部分需要反轉(zhuǎn)電壓。相比之下，LDO 只能降壓。

與簡單易用的LDO相比，開關(guān)穩(wěn)壓器有一個(gè)缺點(diǎn)：穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。這是因?yàn)樾枰敵鰹V波來衰減高頻開關(guān)操作產(chǎn)生的電壓和電流紋波。這將給敏感芯片帶來問題，并產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。盡管如此，設(shè)計(jì)許多當(dāng)代應(yīng)用的工程師越來越青睞開關(guān)穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器工作的關(guān)鍵是使用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）作為開關(guān)器件。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，電流既流向負(fù)載，也流向存儲能量的外部電感器。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，電感器將其存儲的能量提供給負(fù)載。

脈寬調(diào)制（PWM）通常用于控制輸出電壓。頻率保持恒定，脈沖寬度（“導(dǎo)通時(shí)間”）調(diào)整以提供所需的電壓。穩(wěn)壓器的高頻開關(guān)限制了系統(tǒng)中的損耗，同時(shí)在一定范圍的輸入和負(fù)載上保持相對穩(wěn)定的電壓輸出。

在異步拓?fù)溟_關(guān)穩(wěn)壓器（圖 3）中，存儲在電感中然后在 MOSFET 關(guān)斷周期期間傳遞到負(fù)載的能量不會直接流向負(fù)載。相反，它通過外部肖特基二極管傳播。如果根據(jù)預(yù)期負(fù)載選擇電感，開關(guān)穩(wěn)壓器將在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，從而提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓。

圖3.異步降壓穩(wěn)壓器電路。

這類開關(guān)穩(wěn)壓器的最終效率主要由兩個(gè)因素決定：外部肖特基二極管的正向壓降和器件的反向漏電流特性。在現(xiàn)代設(shè)備中，正向壓降已接近約0.3V的極限。這聽起來并不多，但它確實(shí)會導(dǎo)致設(shè)備不斷消耗并降低效率。

用MOSFET代替肖特基二極管可提高效率，因?yàn)閷?dǎo)通電阻（R上）的晶體管可以使用先進(jìn)的制造技術(shù)降低，使其正向電壓（以及損耗）低于原始二極管。該電路中兩個(gè)MOSFET的工作必須同步，使一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)關(guān)斷。 （參見圖4。

圖4.同步降壓穩(wěn)壓器電路。

所謂的同步穩(wěn)壓器的第二個(gè)MOSFET可以集成到模塊中。除了省去外部肖特基二極管外，這還簡化了電路設(shè)計(jì)并減少了物料清單（BOM）。

同步穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)副作用是，由于兩個(gè)MOSFET的開關(guān)操作（即電感損耗加倍），電流在電感器中雙向流動。這與異步類型中的單向流動進(jìn)行比較。在同步穩(wěn)壓器中，損耗通常很小，但在較低負(fù)載下，器件的效率可能低于等效異步類型時(shí)，損耗會變得更大。

主要的半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)使用多種技術(shù)解決了這一缺點(diǎn)。例如，Maxim Integrated推出了一系列高壓同步穩(wěn)壓器，如MAX17503，具有MODE功能，可用于在三種可選工作模式下工作器件：PWM、脈頻調(diào)制（PFM）和非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。PWM 用于正常工作。PFM 通過消除反向電感電流和跳脈沖來提高較低負(fù)載下的效率。DCM 還消除了反向電感電流，以便在較低負(fù)載下提高效率，但不會跳過脈沖。這使得 DCM 適用于對頻率敏感的應(yīng)用。

總結(jié)

高壓、高輸出電流同步穩(wěn)壓器滿足工業(yè)自動化對緊湊、高效且易于設(shè)計(jì)的電源模塊的需求。有幾個(gè)因素導(dǎo)致了工業(yè)電源困境，但現(xiàn)在可以使用滿足所有需求的高壓同步穩(wěn)壓器架構(gòu)。盡管當(dāng)前合適元件的選擇有限，但范圍仍在繼續(xù)擴(kuò)大，以滿足典型系統(tǒng)的所有 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換要求，功率輸出從幾百毫安到幾安培。在第 2 部分中，我們將討論同步穩(wěn)壓器的新創(chuàng)新如何幫助解決功耗難題。

審核編輯：郭婷