מעצבים של מערכות אוטומציה תעשייתית מתמודדים עם אתגרים הולכים וגדלים. הרכבה של מתלים ציוד כזה יכולה להוביל לגודל מוגבר ואילוצים תרמיים. בסביבות תעשייתיות קשות, בהן ציוד אלקטרוני רגיש דורש מתחים מוסדרים היטב, הלקוחות דורשים ביצועים ופונקציונליות גבוהה יותר. בחלק 1 של סדרה שני חלקים זו, נחקור את הדרישות הסותרות לגבי ספקי כוח תעשייתיים ואת הסחר הקשורים לפתרונות נפוצים.
מָבוֹא
תכנון מערכת אוטומציה תעשייתית מציג אתגרים ייחודיים. למעשה, זהו סיפור של דרישות מנוגדות. הצגת מתלים מודולריים בעלות נמוכה לרכיבי מערכות ביתיים כמו בקרי לוגיקה הניתנים לתכנות (PLCS) ומודולי קלט/פלט מציבים מקום חמור ואילוצים תרמיים על מהנדסים ופתרונות. אתגרים אלה מורכבים מהצורך להבטיח פעולה אמינה ביותר בסביבות קשות הרגישות ללכלוך, לחות ורטט.
בנוסף, הלקוחות מצפים לפונקציונליות משופרת בדורות הבאים של מערכות אוטומציה, והכל מבלי להגדיל את צריכת החשמל, גודל הציוד, ייצור החום ועלות. שיפורים כאלה מבוססים לרוב על התקדמות באלקטרוניקה, אך לרוב מגיעים במחיר: סובלנות חשמל הדוקה יותר וגידול ברמות המתח שחייבות להישאר יציבות תוך כדי להגיע מספקי כוח פחות מושלמים.
עם זאת, מהנדסים לא רוצים להקדיש זמן פרויקט יקר בתכנון אספקת חשמל שלא נוהגת להבחין על ידי הלקוחות ולעתים קרובות נחשבים לבזבוז של מרחב יקר. במקום זאת, המהנדס מעדיף להתמקד בדברים שמבדילים בבירור את מערכת האוטומציה שלו מהתחרות.
ספקי מוליכים למחצה נענו לצרכים הסותרים של מעצבי מערכות אוטומציה תעשייתית על ידי הצגת מודולים המשלבים רבים מפונקציות המפתח של אספקת חשמל במכשיר יחיד. עם זאת, מודולים המיועדים להיות מופעלים על ידי אספקת 12, 24 או 48VDC המשמשים את מערכות האוטומציה התעשייתית חייבים להיות מוגנים על ידי מהדקי מתח או להשתמש בטכניקות מיתוג אסינכרוניות כדי לעמוד בדוקרני המתח המציקים את אספקת החשמל. שני הפתרונות גורמים למערכות חשמל גדולות יותר, יקרות יותר ופחות יעילות - בדיוק ממה שמנסים מהנדסי מערכות להימנע.
תו יישום זה הוא חלק 1 בסדרה הדו-חלקית שלנו על רגולטורים לבקרה תעשייתית. כאן אנו דנים בארכיטקטורות בקרה תעשייתית ובארכיטקטורות של אספקת החשמל שהופכות אותן למיוחדות, אתגר עיצובי. בחלק 2 של סדרה זו, נדון בדור הבא של מכשירי חשמל המשתמשים בטכניקות ייצור הסיליקון האחרונות בשילוב עם עיצובים חדשניים של שבבים.
ארכיטקטורת בקרה תעשייתית
בעוד 24VDC הפך למתח דה -פקטו עבור מרבית יישומי הבקרה התעשייתית (במיוחד אלה המשתמשת ב- PLCs), 12VDC נפוץ גם הוא ומשמש לעתים קרובות כמתח גיבוי סוללה או המסופק על ידי מקורות אנרגיה אלטרנטיביים כמו לוחות פוטו -וולטאיים (PV). ההצגה האחרונה של Power over Ethernet (POE) עודדה גם את יצרני האוטומציה התעשייתית לתכנן ציוד המופעל על ידי אספקת 48VDC שצוינה בסטנדרט. איור 1 מוצגת מערכת בקרה תעשייתית טיפוסית המשתמשת באספקת חשמל 24VDC.
איור 1. מערכת בקרה תעשייתית טיפוסית.
המערכת מורכבת ממודולי קלט/פלט לקבלת מידע מחיישנים או שליחת פקודות למפעילים, תשומות דיגיטליות רב-ערוציות, תשומות ופלטים אנלוגיים רב-ערוצים, פונקציות תקשורת ומעבד (CPU) המקושרים באמצעות אוטובוס דיגיטלי. PLC בדרך כלל מספק את כוח המחשוב. הכוח מסופק מהכלי השירות, יורד ל -24VDC ומופץ דרך המטוס האחורי.
מבט מקרוב על ספק הכוח של המערכת מגלה מורכבות רבה יותר בגלל רמות המתח והזרם השונות הנדרשות על ידי רכיבי המערכת השונים. איור 2 מציג חלק קטן מארכיטקטורת הכוח. אספקת החשמל הראשית של 120VAC/230VAC נופלת בתחילה לאספקת חשמל סטנדרטית של מערכת אחורית 12VDC או 24VDC באמצעות מודול כוח תעשייתי. ברמת המערכת, מתח מטוס אחורי זה נופל עוד יותר לרמות המתח הנמוכות הנדרשות על ידי הרכיבים האישיים.
איור 2. חלק מארכיטקטורת הכוח של מערכת אוטומציה תעשייתית.
לדוגמה, PLC יכול להיות מורכב ממעבד מיקרו-מעבד, מעבד אות דיגיטלי (DSP) ומערך שער הניתן לתכנת שדה (FPGA). מכשירים אלה דורשים טווח מתח של 5V עד 1V. עם זאת, ה- PLC כולה עשוי לדרוש עד 3.5A של זרם. באופן דומה, מודולי קלט/פלט אנלוגי רב-ערוצי דורשים אספקה של ± 15V ו- 5V למגברים שונים, ממירים אנלוגיים-דיגיטליים (ADCs) ומולבים (MUX) עם זרמים של עד 500mA.
כדי לסבך את העניינים, מעצבים צריכים לקחת בחשבון דוקרני מתח חולפים ("מתנפחים") המשפיעים על ספקי כוח באמצעות אירועים כמו שביתות ברקים ברשת ההפצה או על ידי החלפת עומסים כבדים במהירות החולקים את אותם מעגלי כוח כמו מערכת האוטומציה התעשייתית. דוקרני מתח יכולים להתרחש גם בארכיטקטורת אספקת החשמל עצמה, למשל, כאשר מודול אספקת חשמל מוריד את מתח האספקה ל- 12VDC או 24VDC, במיוחד בעת שימוש במכשירים מסוג מתגים.
אירועי מתח מתח אלה נפוצים עד כדי כך שארגונים כמו הוועדה האלקטרוכימית הבינלאומית (IEC) ממליצים למהנדסים לתכנן את המערכות שלהם לעמוד בהם. לדוגמה, IEC 60664, העוסק בתיאום בידוד במערכות במתח נמוך (1KVAC ו- 1.5KVDC), קובע כי יש לתכנן ציוד "Class II" (כולל סוגי ציוד המשמש באוטומציה תעשייתית) המופעל על ידי אספקה 24VDC הנגזרת על ידי השירות. לעמוד במתחם יתר של עד 60 וולט.
יסודות ויסות מתח DC-DC
המרת מתח DC-DC (או "רגולציה") היא עסקית גדולה, וספקי מוליכים למחצה השקיעו רבות בפיתוח מגוון רחב של מוצרים לכל היישומים. מכשירים מחולקים לשתי קבוצות: רגולטורים נשירים נמוכים (LDOs), המכונה גם רגולטורים לינאריים; והחלפת רגולטורים.
כאשר הם מתאימים בקפידה למאפייני ההפעלה של היישום, רגולטורים מיתוג בדרך כלל יעילים יותר בטווח מתח קלט רחב בהשוואה ל- LDOs. בנוסף, מיתוג רגולטורים יכול להגדיל בקלות ("Boost"), לדרוך ("Buck") ולהפוך את המתחים. (שימו לב כי חלקים מסוימים של ספקי חשמל של מערכת אוטומציה תעשייתית דורשים מתחים הפוכים. לעומת זאת, LDOs יכולים לרדת רק מתחים.
לרגולטורים במיתוג יש חסרון אחד על LDOs קלים לשימוש: העיצוב של הרגולטור מורכב יותר. הסיבה לכך היא שסינון פלט נדרש כדי להחליש את אדוות המתח והזרם שנוצרו על ידי פעולות מיתוג בתדר גבוה. זה גורם לבעיות לשבבים רגישים ומייצר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). למרות זאת, מהנדסים המתכננים יישומים עכשוויים רבים מעדיפים יותר ויותר את הרגולטורים.
המפתח להפעלת מיתוג רגולטורים הוא השימוש בטרנזיסטורים של אפקט שדה מוליכים למחצה של מוליכים למחצה (MOSFETs) כמכשירי מיתוג. כאשר ה- MOSFET דולק, הזרם זורם הן לעומס והן למשרן חיצוני המאחסן את האנרגיה. כאשר ה- MOSFET נכבה, המשרן מספק את האנרגיה המאוחסנת שלו לעומס.
אפנון רוחב הדופק (PWM) משמש בדרך כלל לשליטה על מתח היציאה. התדר מוחזק קבוע ורוחב הדופק ("בזמן") מותאם כדי לספק את המתח הרצוי. מיתוג התדרים הגבוהים של הרגולטור מגביל את ההפסדים במערכת תוך שמירה על פלט מתח יציב יחסית על מגוון כניסות ועומסים.
בווסת מיתוג טופולוגיה אסינכרונית (איור 3), האנרגיה המאוחסנת במשרן ואז הועברה לעומס במהלך מחזור MOSFET לא זורמת ישירות לעומס. במקום זאת, הוא מופץ באמצעות דיודה שוטקי חיצונית. אם המשרן נבחר על סמך העומס הצפוי, רגולטור המיתוג יפעל במצב הולכה רציף, ובכך יספק מתח מוסדר יציב.
איור 3 איור 3. מעגל ווסת באק אסינכרוני.
היעילות האולטימטיבית של רגולטורים מיתוג אלה נקבעת על ידי שני גורמים עיקריים: ירידת המתח קדימה של דיודה שוטקי חיצונית ומאפייני זרם הדליפה ההפוכים של המכשיר. במכשירים מודרניים, ירידת המתח קדימה מתקרבת למגבלה של בערך 0. 3V. זה לא נשמע כמו הרבה, אבל זה אכן מוביל לצריכת מכשירים מתמדת וליעילות מופחתת.
החלפת דיודה שוטקי ב- MOSFET משפרת את היעילות מכיוון שניתן להוריד את ההתנגדות (ב- R) של הטרנזיסטור בטכניקות ייצור מתקדמות כדי לשמור על מתח קדימה (והפסדים) נמוכים מהדיודה המקורית. יש לסנכרן את פעולת שני ה- MOSFETs במעגל זה כך שאחד יתנהג והשני יכבה.
איור 4 איור 4. מעגל ווסת באק סינכרוני.
ניתן לשלב את ה- MOSFET השני של מה שמכונה הרגולטור הסינכרוני שנקרא במודול. בנוסף לביטול הדיודה החיצונית של שוטקי, זה מפשטעיצוב המעגליםומקטין את חשבון החומרים (BOM).
תופעת לוואי של תכנון הרגולטור הסינכרוני היא שבגלל פעולת המיתוג של שני ה- MOSFETs (כלומר, הכפלת הפסדים אינדוקטיביים), זרם זרם לשני הכיוונים במשרן. זה לעומת הזרימה החד כיוונית בסוג האסינכרוני. אצל רגולטורים סינכרוניים, ההפסדים הם בדרך כלל קטנים, אך הופכים גדולים יותר בעומסים נמוכים יותר כאשר יעילות המכשיר עשויה להיות נמוכה מהסוג האסינכרוני המקביל.
ספקי מוליכים למחצה גדולים התייחסו לחסרון זה באמצעות מגוון טכניקות. לְדוּגמָה,פִּתגָםמְשׁוּלָבהציג סדרה שלמתח גבוהרגולטורים סינכרוניים, כמו MAX17503, עם פונקציית מצב שניתן להשתמש בה להפעלת המכשיר בשלושה מצבי פעולה ניתנים לבחירה: PWM, אפנון תדר דופק (PFM) ומצב הולכה רציף (DCM). DCM מבטל גם זרם משרן הפוך כדי לשפר את היעילות בעומסים נמוכים יותר, אך אינו מדלג על פולסים. זה הופך את DCM המתאים ליישומים רגישים לתדר.
תַקצִיר
רגולטורים סינכרוניים בעלי מתח זרם גבוה-פלט-פלט עונים על צרכי האוטומציה התעשייתית למודולי כוח קומפקטיים, יעילים וקלים לעיצוב. מספר גורמים תרמו לדילמת הכוח התעשייתי, אך ארכיטקטורות רגולטור סינכרוני במתח גבוה העונות כעת על כל הצרכים זמינות. אמנם הבחירה הנוכחית של רכיבים מתאימים מוגבלת, אך הטווח ממשיך להתרחב כדי לעמוד בכל דרישות ההמרה של מתח DC-DC של מערכת טיפוסית, כאשר תפוקות הכוח נעות בין כמה מאות מיליאמפים למספר אמפר. בחלק 2 נדון כיצד חידושים חדשים אצל רגולטורים סינכרוניים עוזרים לפתור את אתגר צריכת החשמל.