דילמת אספקת כוח אוטומציה תעשייתית: ארכיטקטורת בקרה תעשייתית

מעצבי מערכות אוטומציה תעשייתיות מתמודדים עם מספר הולך וגדל של אתגרים. הרכבת ציוד כזה במדפים מובילה להגדלת הגודל והאילוצים התרמיים. בסביבות תעשייתיות קשות, ציוד אלקטרוני רגיש דורש מתחים מווסתים בקפדנות, ולקוחות דורשים ביצועים ופונקציונליות גבוהים יותר. בחלק 1 של שני-סדרת חלקים זו, נחקור את הדרישות הסותרות לגבי ספקי כוח תעשייתיים ואת הפשרות- הקשורות לפתרונות נפוצים.

מָבוֹא

תכנון מערכות אוטומציה תעשייתית מציג אתגרים ייחודיים. למעשה, זהו סיפור של דרישות סותרות. הכנסת מתלים מודולריים-בעלות נמוכה לרכיבי מערכת כגון בקרי לוגיקה (PLC) ומודולי קלט/פלט ניתנים לתכנות, הטילה אילוצי שטח ותרמיים חמורים על המהנדסים והפתרונות. אתגרים אלה מסובכים עוד יותר בשל הצורך להבטיח פעולה אמינה ביותר בסביבות קשות הרגישות ללכלוך, לחות ורעידות.

בנוסף, הלקוחות מצפים לפונקציונליות משופרת בדורות הבאים של מערכות אוטומציה, כל זאת מבלי להגדיל את צריכת החשמל, גודל המכשיר, ייצור החום או העלות. פונקציונליות משופרת כזו מבוססת לעתים קרובות על התקדמות בטכנולוגיה האלקטרונית, אך לרוב היא כרוכה במחיר: סובלנות הספק מחמירות יותר ונחשולים ברמות המתח שחייבות להישאר יציבות למרות מקורות כוח לא מושלמים.

עם זאת, מהנדסים לא רוצים לבזבז זמן יקר בפרויקט בתכנון ספק כוח שלא מורגש על ידי הלקוחות ולעתים קרובות נחשב לבזבוז של שטח יקר. במקום זאת, מהנדסים מעדיפים להתמקד בתכונות שמבדילות בבירור את מערכות האוטומציה שלהם מהמתחרים.

ספקי מוליכים למחצה הגיבו לדרישות הסותרות של מתכנני מערכות אוטומציה תעשייתיות על ידי הצגת מודולים המשלבים פונקציות מרכזיות רבות של אספקת חשמל במכשיר אחד. עם זאת, מודולים המיועדים להיות מופעלים על ידי ספקי כוח של 12, 24 או 48VDC המשמשים במערכות אוטומציה תעשייתיות חייבים להיות מוגנים על ידי מהדקי מתח או להשתמש בטכנולוגיית מיתוג אסינכרוני כדי לעמוד בקוצים במתח הפוקדים את ספק הכוח הראשי. שני הפתרונות מביאים למערכות חשמל גדולות יותר, יקרות יותר ופחות יעילות-בדיוק ממה שמהנדסי מערכת מנסים להימנע.

הערת הבקשה הזו היא חלק 1 של שני-סדרות החלקים שלנו בנושא ווסתי בקרה תעשייתיים. כאן, אנו דנים בארכיטקטורות בקרה תעשייתיות וארכיטקטורות אספקת הכוח הייחודיות שלהן, המציגות אתגרי עיצוב. בחלק 2 של סדרה זו, נדון בדור הבא של מכשירי כוח הממנפים את טכנולוגיות ייצור הסיליקון העדכניות ביותר בשילוב עם עיצובי שבבים חדשניים.

ארכיטקטורות בקרה תעשייתית

 

 

בעוד ש-24VDC הפך למתח דה פקטו עבור רוב יישומי הבקרה התעשייתיים (במיוחד אלה המשתמשים ב-PLC), 12VDC הוא גם נפוץ, בדרך כלל כמתח גיבוי לסוללה או מסופק על ידי מקורות אנרגיה חלופיים כגון לוחות פוטו-וולטאיים (PV). ההשקה האחרונה של Power over Ethernet (PoE) עודדה גם יצרני אוטומציה תעשייתית לתכנן מכשירים המופעלים על ידי ספק הכוח של 48VDC המצוין בתקן זה. מערכת בקרה תעשייתית טיפוסית המשתמשת באספקת חשמל של 24VDC מוצגת באיור 1.

איור 1. מערכת בקרה תעשייתית טיפוסית.

לדוגמה, PLC יכול להיות מורכב ממיקרו-מעבד, מעבד אותות דיגיטלי (DSP) ומערך שערים שדה-ניתן לתכנות (FPGA). התקנים אלה דורשים טווח מתח של 5V עד 1V. עם זאת, ה-PLC כולו עשוי לדרוש עד 3.5A של זרם. באופן דומה, מודולי I/O אנלוגיים מרובי-ערוצים דורשים ספקי כוח של ±15V ו-5V עבור מגברים שונים,{10}}ל{11}} ממירים דיגיטליים (ADC) ומרבבים (MUX) עם זרמים של עד 500mA.

כדי לסבך את העניינים עוד יותר, מתכננים חייבים לשקול קפיצי מתח חולפים ("מתחי יתר"), אשר יכולים להשפיע על אספקת אספקת החשמל באמצעות אירועים כגון פגיעות ברק ברשת חלוקת החשמל או באמצעות מיתוג מהיר של עומסים כבדים החולקים את אותו מעגל חשמל עם מערכות אוטומציה תעשייתיות. עליות מתח עשויות להתרחש גם בתוך ארכיטקטורת ספק הכוח עצמה, כגון כאשר מודולי אספקת החשמל מורידים את מתח אספקת החשמל ל-12VDC או 24VDC, במיוחד בעת שימוש במכשירים מסוג מתג-.

אירועי מתח יתר אלה כל כך נפוצים עד שארגונים כמו הוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכניקה (IEC) ממליצים למהנדסים לתכנן את המערכות שלהם כך שיעמדו בהם. לדוגמה, IEC 60664 מתייחס לתיאום בידוד במערכות מתח נמוך-(1kVAC ו-1.5kVDC), וקובע כי ציוד "Class II" (כולל סוגים המשמשים באוטומציה תעשייתית) המופעל על ידי 24VDC הנגזר מהרשת צריך להיות מתוכנן לעמוד במתח יתר של עד 60V.

DC-יסודות ויסות מתח DC

המרת מתח DC-(או "רגולציה") היא עסק גדול, וספקי מוליכים למחצה השקיעו רבות בפיתוח מגוון רחב של מוצרים לכל היישומים. התקנים מחולקים לשתי קבוצות: מווסתים נמוכים-לנשירה (LDO), הידועים גם כווסת ליניאריים; והחלפת רגולטורים.

כאשר הם מתאימים בקפידה למאפייני ההפעלה של האפליקציה, ווסתי מיתוג מציעים בדרך כלל יעילות גבוהה יותר בטווח מתח כניסה רחב בהשוואה ל-LDOs. בנוסף, מיתוג הרגולטורים יכולים בקלות להגביר ("צעד-למעלה"), לתקוע ("צעד-למטה") ולהפוך מתחים. (שים לב שחלקים מסוימים של ספקי כוח של מערכות אוטומציה תעשייתיות דורשים מתחים הפוכים. לעומת זאת, LDOs יכולים רק להרוויח כסף.)

בהשוואה ל-LDO הפשוט והידידותי-למשתמש, לרגולטורים למעבר יש חסרון אחד: העיצוב שלהם מורכב יותר. הסיבה לכך היא שסינון פלט נדרש כדי להחליש את המתח והזרם האדוות שנוצרות על ידי פעולות מיתוג- בתדר גבוה. זה יכול לגרום לבעיות עבור שבבים רגישים וליצור הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). למרות זאת, מהנדסים שמתכננים יישומים עכשוויים רבים מעדיפים יותר ויותר החלפת רגולטורים.

המפתח לאופן שבו פועלים ווסתי מיתוג הוא השימוש בטרנזיסטורי אפקט -תחמוצת-מתכת-שדות מוליכים למחצה (MOSFETs) כמכשירי מיתוג. כאשר ה-MOSFET פועל, זרם זורם הן לעומס והן למשרן חיצוני שאוגר אנרגיה. כאשר ה-MOSFET כבוי, המשרן מספק את האנרגיה המאוחסנת לעומס.

אפנון רוחב דופק (PWM) משמש בדרך כלל לשליטה במתח המוצא. התדר נשאר קבוע, בעוד שרוחב הפולס ("זמן-הדלקה") מותאם כדי לספק את המתח הרצוי. מיתוג-תדר גבוה של הרגולטור ממזער הפסדים במערכת תוך שמירה על פלט מתח יציב יחסית על פני מגוון תנאי כניסה ועומס.

בווסת מיתוג אסינכרוני של טופולוגיה (איור 3), האנרגיה שנאגרה במשרן ולאחר מכן מועברת לעומס במהלך מחזור הכיבוי של MOSFET אינה זורמת ישירות לעומס. במקום זאת, הוא מופץ דרך דיודת שוטקי חיצונית. אם המשרן נבחר בהתאם לעומס הצפוי, ווסת המיתוג יפעל במצב הולכה רציפה, ויספק ויסות יציב.

איור 3. מעגל וסת באק אסינכרוני.

 

היעילות האולטימטיבית של סוג זה של וסת מיתוג נקבעת בעיקר על ידי שני גורמים: ירידת המתח קדימה של דיודת Schottky החיצונית ומאפייני זרם הדליפה ההפוכה של המכשיר. במכשירים מודרניים, מפל המתח קדימה מתקרב לגבול של כ-0.3V. זה אולי לא נראה כמו הרבה, אבל זה מביא לצריכת חשמל מתמשכת ויעילות מופחתת.

החלפת דיודות Schottky ב-MOSFETs משפרת את היעילות מכיוון שניתן להפחית את ההתנגדות-על (Ron) של טרנזיסטורים באמצעות טכניקות ייצור מתקדמות, וכתוצאה מכך מתח קדימה (והפסדים) נמוכים יותר מאשר הדיודות המקוריות. שני MOSFETs במעגל זה חייבים לפעול באופן סינכרוני, כאשר אחד מוליך והשני חוסם. (ראה איור 4.)

                                        איור 4. מעגל ויסות באק סינכרוני.

ניתן לשלב את ה-MOSFET השני של מה-שמכונה הרגולטור הסינכרוני במודול. בנוסף לביטול הצורך בדיודת Schottky חיצונית, הדבר מפשט את תכנון המעגל ומפחית את ביל החומרים (BOM).

תופעת לוואי של תכנון הרגולטור הסינכרוני היא שהזרם זורם דו-כיווני במשרן עקב פעולת המיתוג של שני ה-MOSFETs (כלומר, הפסדי משרן כפולים). זה מנוגד לזרימה החד-כיוונית בטיפוסים אסינכרוניים. בווסתים סינכרוניים, ההפסדים בדרך כלל קטנים, אך בעומסים נמוכים יותר, יעילות המכשיר עשויה להיות נמוכה מזו של סוגים אסינכרוניים מקבילים, וכתוצאה מכך הפסדים גדולים יותר.

ספקי מוליכים למחצה גדולים התמודדו עם חיסרון זה באמצעות טכנולוגיות שונות. לדוגמה, Maxim Integrated הציגה סדרה של ווסתי מתח סינכרוני- גבוה, כגון MAX17503, הכוללים פונקציית MODE המאפשרת למכשיר לפעול בשלושה מצבים לבחירה: PWM, אפנון תדר דופק (PFM) ומצב הולכה לא רציפה (DCM). PWM משמש לפעולה רגילה. PFM משפר את היעילות בעומסים נמוכים יותר על ידי ביטול זרם השראות הפוכה ודילוג על פולסים. DCM גם מבטל את זרם השראות הפוכה כדי לשפר את היעילות בעומסים נמוכים יותר, אך אינו מדלג על פולסים. זה הופך את DCM למתאים ליישומים רגישים-תדירותיים.

תַקצִיר

ווסתים סינכרוניים של זרם פלט- גבוה,-גבוהים עונים על הדרישה למודולי כוח קומפקטיים, יעילים וקלים-ל-לתכנון באוטומציה תעשייתית. מספר גורמים תרמו לאתגר אספקת החשמל התעשייתית, אך כעת זמינה ארכיטקטורת רגולטור סינכרוני של מתח גבוה- כדי לענות על כל הדרישות. למרות שהמבחר הנוכחי של רכיבים מתאימים מוגבל, הטווח ממשיך להתרחב כדי לעמוד בכל דרישות המרת מתח DC -DC עבור מערכות טיפוסיות, עם תפוקות הספק הנעות בין מאות מיליאמפר למספר אמפר. בחלק 2, נדון כיצד חידושים חדשים ברגולטורים סינכרוניים יכולים לעזור להתמודד עם אתגרי צריכת החשמל