保護工業(yè)4.0的大腦

在制造和過程控制操作中提高速度和產(chǎn)品產(chǎn)量的挑戰(zhàn)在于控制系統(tǒng)智能。雖然先進的軟件技術和算法創(chuàng)新提供了實現(xiàn)工業(yè) 4.0 效率的能力，但系統(tǒng)硬件必須可靠運行。如果不這樣做，中斷將減慢制造和控制過程或?qū)Ξa(chǎn)量產(chǎn)生負面影響。任何一種情況都會導致成本增加。工業(yè) 4.0 系統(tǒng)的智能可編程邏輯控制器 （PLC） 必須具有高可靠性才能實現(xiàn)工業(yè) 4.0 的優(yōu)勢。因此，PLC 需要防止電流過載、電壓瞬變和靜電放電 （ESD）。

本文通過提供組件和技術來保護 PLC 電路免受危險的過載、瞬態(tài)和 ESD 的影響，指導電子工程師和設計人員了解提高可靠性的方法。此外，本文還提供了降低 PLC 功耗的電子元件建議。較低的功耗可減少 PLC 中的熱量積聚，從而有助于提高產(chǎn)品可靠性。

工業(yè) 4.0 系統(tǒng)

圖 1 展示了工業(yè) 4.0 系統(tǒng)的元素。監(jiān)控、控制和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的核心是 PLC，它根據(jù)來自工廠車間的輸入控制系統(tǒng)。它傳輸有關制造過程、制造測試、機器狀態(tài)和質(zhì)量控制的關鍵數(shù)據(jù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關傳輸數(shù)據(jù)，接收來自中央指揮中心的命令，然后將所有數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)中心和云端。

圖 1：工業(yè) 4.0 制造系統(tǒng)（來源：Littelfuse Inc.）

PLC 概述

PLC 是一種專門用于監(jiān)視和控制操作的專用計算機。由于這些計算機在具有大型電動設備、溫暖的溫度和空氣中的制造殘留物的制造環(huán)境中運行，因此 PLC 必須比通用計算機更強大。

圖 2 顯示了 PLC 的一般框圖?？驁D右側(cè)的表格列出了可以保護 PLC 免受過流條件、高壓瞬變和 ESD 等危害的組件類型。該表還包括可以降低 PLC 功耗的組件。以下段落介紹了特定電路塊中每個組件的需求，并就其特性提供了建議。

圖 2：PLC 框圖（來源：Littelfuse Inc.）

保護 PLC 電路塊

以下是一些保護 PLC 電路塊免受過流和瞬態(tài)電壓影響的建議。

電源

電源將交流線路電壓轉(zhuǎn)換為 24 VDC，從而運行電路。電源會受到交流線路上的電流過載和電壓瞬變的影響。電流過載可能來自交流線路上的浪涌，電壓瞬變可能來自大型電機的開關或閃電。因此，電源需要電流過載保護和電壓瞬變保護。

延時保險絲將提供交流線路電流過載保護，并避免由于電流瞬變造成的令人討厭的停機。尋找至少 250 VAC 的額定電壓，以便在 230 VAC 電源線上使用。此外，確保保險絲的電流中斷額定值至少為 50 A。選擇符合 UL/CSA 248 低壓保險絲的保險絲。

使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 或保護晶閘管-MOV 組合來吸收交流線路上感應的高壓瞬變，以延長 MOV 的使用壽命。選擇能夠承受超過 400 J 能量并吸收高達 10，000 A 浪涌電流的 MOV。請注意，某些 MOV 包含額外的保護功能。如果 MOV 因異常大的過電壓而開始過熱，該熱元件通過斷開與引線的連接來保護 MOV。

考慮添加一個與 MOV 串聯(lián)的保護晶閘管。保護晶閘管-MOV 組合允許選擇較低額定電壓的 MOV，并能夠?qū)⑺矐B(tài)鉗位在較低電壓。保護晶閘管是一種撬棒型器件，通過在納秒內(nèi)開啟來響應瞬態(tài)過電壓。與單獨的 MOV 相比，該保護組合具有更低的泄漏電流，并提高了最終產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

為了對敏感半導體進行最佳保護，請考慮用瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管替換晶閘管-MOV 組合。通過 MOV 或保護晶閘管-MOV 組合的過電壓的任何部分將被進一步吸收并鉗位在低電壓。TVS 二極管：

在 1 ps 以下的極快時間內(nèi)響應瞬態(tài)電壓

可安全吸收高達 600 W 的瞬態(tài)峰值脈沖功率

可安全吸收高達 100 A 的浪涌電流

承受 30 kV 的 ESD 沖擊

有單向和雙向模型

使用聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 可復位保險絲對電源模塊中的功率因數(shù)校正 （PFC） 電路進行過流保護。對于許多額定電流，這些器件具有低內(nèi)阻（低于 10 mΩ）。PPTC 保險絲具有快速跳閘時間，通常低于 5 秒，并且使用與 0402 外形尺寸一樣小的表面貼裝封裝，占用的 PC 板 （PCB） 空間最小。

延時熔斷器、串聯(lián)保護晶閘管-MOV、TVS二極管和PPTC熔斷器的組合將確保電源電路得到徹底保護。

DC/DC轉(zhuǎn)換器

DC/DC 轉(zhuǎn)換器將 24 VDC 轉(zhuǎn)換為控制和輸入輸出電路塊所需的電壓，通常為 5 V 和 3.3 V。如果 24 VDC 直接為 PLC 供電，則 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要保護免受過流和瞬態(tài)條件的影響，這些條件會在未受保護的 24 VDC 線路上傳播。對于過流保護，請使用符合 IEC 60127-2 微型保險絲的延時保險絲。考慮一個表面貼裝 TVS 二極管來吸收和鉗位瞬態(tài)電壓。表面貼裝版本可承受高達 3，000 W 的峰值脈沖功率和 300 A 的峰值浪涌電流。

輸入模塊

輸入模塊將數(shù)字和模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為應用處理器可以讀取的電平和數(shù)字化值。由于輸入信號來自外部環(huán)境，它們可能攜帶危險的瞬變。使用雙向或單向型 TVS 二極管來保護輸入模塊免受瞬態(tài)過壓的影響?？砂踩?600 W 脈沖功率和 100 A 浪涌電流的型號可為輸入模塊提供適當?shù)谋Ｗo。

保護 PLC 電路塊免受 ESD 影響

顯示/用戶界面和無線通信電路塊

顯示器/用戶界面和無線通信電路與外部環(huán)境連接，可能會暴露于 ESD 造成的危險瞬變。顯示器/用戶界面與操作人員有聯(lián)系，而無線通信天線可以吸引來自外部環(huán)境的 ESD 沖擊。

考慮一個 TVS 二極管陣列，該陣列由兩個陽極連接到陽極的二極管組成，如圖 3 所示。該二極管可以承受 ±12 kV 直接接觸的 ESD 沖擊，以保護顯示器/用戶界面中的觸摸屏半導體。該二極管陣列還可以保護無線通信電路免受高達 ±18 kV 的空中 ESD 沖擊。此外，這種二極管陣列具有低于 0.1 pF 的低電容，以避免無線傳輸和接收的性能下降。

圖 3：用于 ESD 保護的陽極到陽極 TVS 二極管陣列示意圖（來源：Littelfuse Inc.）

用于無線通信電路的 TVS 二極管陣列的替代方案是聚合物 ESD （PESD） 保護器件。PESD 組件可以承受 ±15 kV 的空中 ESD 沖擊。它們具有 0.25 pF 的低電容和低于 10 nA 的典型泄漏電流。PESD 元件型號采用小型 0402 表面貼裝封裝。

有線通信電路塊

有線通信電路塊還需要保護免受 ESD 沖擊。推薦的方法取決于 PLC 使用的通信協(xié)議。有關以太網(wǎng)、以太網(wǎng)供電、USB、RS-232 和 RS-485 通信端口保護的信息，請參閱Littelfuse.com 上的“通用端口保護”演示文稿。

通過降低功耗最大限度地提高效率

在電源模塊的開關模式電源中，研究肖特基勢壘整流器以最大限度地提高效率并降低功耗。它們可實現(xiàn)快速開關，從而實現(xiàn)更高效的高頻開關模式電源電路。尋找具有低于 1 V 的低正向壓降、低于 1 mA 的低反向電流和高達 10，000 V/μs 的 dV/dt 的肖特基整流器。圖 4 顯示了具有共陰極連接的半橋肖特基二極管對。使用雙二極管封裝以節(jié)省 PCB 空間。

圖 4：共陰極、半橋肖特基對的示意圖（來源：Littelfuse Inc.）

電源模塊中的 PFC 電路通過保持電壓和電流彼此同相并減少電流諧波來減少 PLC 消耗的總電流。使用有源 PFC，晶體管充當開關來控制流向 LC 網(wǎng)絡的電流?？紤]使用 MOSFET。為了最大限度地提高 PFC 電路的效率，請選擇具有以下特性的 MOSFET：

低 R DS（on），值低于 150 mΩ

低柵極電荷，低于 50 nC

dV/dt 至少為 50 V/ns

這些參數(shù)可實現(xiàn)高效、低功耗、快速切換。

在 PFC 電路中，考慮使用 SiC 肖特基二極管以獲得更高的效率。肖特基功率二極管的正向電壓低，約為 1.5 V，在高工作溫度下通過電流高達 8 A。該二極管具有低漏電流（通常低于 15 μA）和用于快速開關的低恢復時間。

優(yōu)化控制和最大化可靠性

在輸出模塊中使用固態(tài)繼電器來驅(qū)動執(zhí)行器、電機、閥門和其他設備?？紤]一個具有低于 10 mA 的低開啟電流的光隔離繼電器，以降低功耗。尋找具有零電壓開關的型號，以將電磁干擾和射頻干擾降至最低。此外，尋找高達 5，000 V rms的光隔離，以確?？刂坪拓撦d電路之間的隔離和抗噪性。此外，固態(tài)繼電器有助于實現(xiàn)高可靠性和長壽命。

實現(xiàn)工業(yè) 4.0 的好處

保護 PLC、提高其效率并增強其可靠性不需要很多組件。幸運的是，設計工程師可以利用組件制造商來幫助他們?yōu)?PLC 設計選擇合適的保護和高效控制組件。組件制造商的應用工程師可以：

幫助設計人員選擇最具成本效益的保護和控制組件

為遵守適用的 PLC 安全和性能標準提供指導

執(zhí)行預符合性測試（由一些制造商提供）以幫助在標準符合性測試之前識別問題

與組件制造商合作可以為設計工程師節(jié)省大量的開發(fā)時間和合規(guī)性測試成本。結(jié)果是一個強大、可靠的 PLC，既能防止過流和瞬態(tài)電壓，又能提高效率。這樣的 PLC 將使工業(yè) 4.0 的好處得以實現(xiàn)?！　?/p>