可編程邏輯控制器的負載點電源設計方案

可編程邏輯控制器 （PLC） 是一種工業(yè)計算系統(tǒng)。它控制裝配線和其他需要高度可靠的控制方法和故障診斷的工廠自動化設備的制造過程。PLC系統(tǒng)包括模擬和數(shù)字輸入和輸出模塊、通信模塊、中央處理單元（CPU）模塊、控制模塊和電源。PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運行，在設計非隔離負載點電源解決方案時需要特別注意。設計人員必須考慮負載點總線架構、線路電壓瞬變、熱限制、隔離噪聲問題、尺寸限制和處理器電壓精度問題。

負載點架構注意事項

PLC 受益于 DC/DC 負載點電源解決方案，該解決方案支持先進的模擬和數(shù)字集成電路的需求，提供高效率和良好的熱性能，并減少整體組件數(shù)量和成本。負載點策略可能會有所不同，但 PLC 通常具有來自電源的 24V DC（或偶爾為 12V DC ）輸入。線路電壓容易受到源自電機或繼電器的輸入電壓瞬變的影響，但是，會導致可能損壞系統(tǒng)的過高電壓尖峰。

在幾乎所有情況下，5V 和 3.3V 電源軌都用作 24V 或 12V 電源的次級穩(wěn)壓電源軌，為低壓子系統(tǒng)供電。在高于 1MHz 的頻率下切換時，很難用 24V 輸入調節(jié) 1V 電源軌，但仍要保持較小的外形尺寸。如公式 1 所示，要從 24V 輸入（占空比為 4.2%）調節(jié) 1V，DC/DC 轉換器的最小可控導通時間在 1MHz 切換時必須低于 40ns，以避免嘈雜的脈沖跳躍。

最小可控導通時間= 占空比 / 開關頻率 （1）

線路電壓瞬變

線路電壓瞬變可能來自系統(tǒng)中的電機和繼電器，并導致輸入電壓線路上出現(xiàn)過大的電壓尖峰。由于 PLC 用于可能具有電機或其他感應負載和回路的工廠車間，因此它們容易受到線路瞬態(tài)尖峰的影響。圖 1 顯示了一個線路電壓瞬變示例，該瞬變持續(xù)時間可能很短，但在沒有適當保護的情況下會嚴重損壞 PLC 內部的電路。

保護或鉗位電路（如圖 2 所示）可以保護負載免受電壓尖峰的影響。二極管 D2 設置鉗位電壓，通過場效應晶體管 （FET） 使電流能夠流向受保護的負載。不幸的是，這些電路占用空間并需要額外的組件。實施電子熔斷器（例如TPS2660系列）還提供高達 60V 的保護，并且比圖 2 中的分立電路更容易實施。電子熔斷器還可以提供輸入反向電壓保護，而 DC/DC 轉換器通常不提供。具有集成 FET 的非隔離式同步降壓轉換器可提供高達 100V 的額定電壓，以保護下游電路。

熱限制和功率預算

PLC 通常封閉在機柜中，其中氣流受限或不可用。在許多情況下，由于存在灰塵、腐蝕性元素或其他材料限制，無法使用冷卻風扇。在過大的熱應力下，系統(tǒng)的長期可靠性會降低。

因此，降低負載點電源解決方案的功耗將增加模塊的功率預算，并使 PLC 在市場上獨樹一幟。額外的可用功率還可以實現(xiàn)更快的微處理器時鐘速度、更準確的數(shù)據(jù)轉換器和額外的內存，以提高性能以對抗競爭對手。

以峰值效率運行 DC/DC 轉換器是將 DC/DC 轉換器的功率金屬氧化物半導體 FET （MOSFET） 的傳導和開關損耗降至最低的絕佳方法。表 1 顯示了與使用 WEBENCH Power Designer 的 0.5A 轉換器相比，2A 轉換器設計的效率降低到 0.5A。顯然，0.5A 轉換器的 MOSFET 越小，封裝尺寸就越小，頻率越高，就可以使用更小的無源元件來實現(xiàn)更小的解決方案尺寸。但是，當使用 0.5A 電流時，2A 轉換器可節(jié)省 140mW 的能量，從而在氣流受限或功率預算受限的應用中最大限度地提高效率并改善熱性能。

表一：5V輸入、1.8V輸出、0.5A比較

圖 3 顯示了如何進一步優(yōu)化 2A 轉換器的效率。在曲線拐點處，峰值效率約為 93%，約為 0.5A，這代表了開關損耗和傳導損耗之間的最佳點。

隔離以提高電噪聲抗擾度

PLC 使用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，例如 RS-485，但也可以使用其他通信協(xié)議，例如 Profibus、Profinet 或以太網(wǎng)。由于多種非標準化接地技術，遠程電源可能會遇到較大的接地電位差異，這會導致多個接地路徑和回路。接地回路電流可能非常高，因為它們通過低阻抗接線連接不同的接地電位。

通過電流隔離斷開接地回路不僅可以防止回路電流，而且是解決高接地電位差的最可靠方法。電隔離允許從輸入側以地為參考的輸入獨立于輸出側的地，從而顯著增強共模抑制并改善噪聲性能。在電路板上有一個與潛在噪聲接地“隔離”的區(qū)域很重要，最流行的技術是通過隔離柵實現(xiàn) 5V 輸入到 5V 輸出。

有幾種方法可以使用變壓器創(chuàng)建隔離屏障。圖 4 所示的推挽式變壓器驅動器以 50% 的占空比工作，因此必須相應地設計變壓器線圈以適應特定的輸入和輸出電壓。推挽電路也是開環(huán)運行，因此沒有反饋機制。在某些情況下，次級側的線性穩(wěn)壓器將提供更好的輸出電壓調節(jié)。

圖 5 所示的反激式穩(wěn)壓器也稱為非對稱半橋，具有與標準降壓穩(wěn)壓器相同的傳遞函數(shù)，但使用類似于反激式轉換器的變壓器。降壓穩(wěn)壓器的電感電容使用 C1 作為輸出大容量電容和隔離變壓器的初級側 T1。輸出電壓反射到次級側，由變壓器的匝數(shù)比得出。R1 和 R2 設置半橋的占空比，從而可以更靈活地選擇現(xiàn)成的變壓器匝數(shù)比以適應輸入和輸出電壓。

Fly-buck 的頻率可通過 RT 引腳進行調節(jié)，并可同步到寬范圍的開關頻率。fly-buck 被限制在 2W 左右，因為流經(jīng)次級側二極管的高電流會因損耗而限制調節(jié)。兩種拓撲都不需要光耦合器。fly-buck 集成了初級側反饋，以實現(xiàn)磁性的靈活性。對于更高的效率、更大的輸出電流和更好的調節(jié)精度，飛降壓轉換器是比圖 4 中所示的推挽式變壓器驅動器更好的替代方案。

電壓調節(jié)精度

隨著工藝技術的進步，現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）、微控制器和專用集成電路 （ASIC） 需要更嚴格的電壓精度和更低的核心軌工作電壓。處理器的數(shù)據(jù)表可以將電壓容差指定為百分比或毫伏值，其中包括整個工作溫度范圍內的直流、交流和紋波變化。設計人員還必須考慮 DC/DC 轉換器使用的電阻分壓器的容差；電路板的布線和走線損耗；和應用的變化，如輸入電壓變化、溫度波動和快速負載變化。這些因素都有助于 DC/DC 轉換器的精度。許多設計人員都希望留有余量或余量，以確保解決方案始終在處理器的公差預期范圍內。新的高級處理器在所有條件下都需要 +/- 3% 的內核電壓容差，這要求 DC/DC 轉換器具有非常準確的參考電壓。

在數(shù)據(jù)表中檢查 DC/DC 轉換器的初始反饋電壓精度很重要。表 2 顯示了 TPS54218 的穩(wěn)壓反饋電壓規(guī)范，它是一款 2A 轉換器，在輸入電壓和溫度變化范圍內具有 ±8mV 或 ±1% 的參考精度。選擇更緊容差的電阻器可提高總輸出電壓精度。要獲得更多余量，請選擇 0.1% 或 0.5% 的電阻器 ［1］，即使它們的成本可能會高一些。有了額外的裕量，就有可能以更少的體積和旁路電容滿足 ±3% 或 ±5% 的總輸出電壓變化。

表 2：TPS54218 數(shù)據(jù)表中所示的反饋電壓調節(jié)

將 DC/DC 轉換器放置在盡可能靠近負載的位置。布局限制、連接器和電路板密度要求會影響負載的電壓精度。具有遠程感應功能的 DC/DC 轉換器可以幫助補償從 DC/DC 轉換器到負載的大電壓降。

解決方案大小

為了保持整個 DC/DC 轉換器解決方案的體積小，可以集成或優(yōu)化任何外部組件。非隔離式電源模塊因其高集成度和易用性以及優(yōu)化電感器以占用更少空間的能力而變得越來越流行。與分立解決方案相比，電源模塊通常旨在實現(xiàn)更小的總解決方案尺寸。當節(jié)省電路板空間比整體系統(tǒng)效率更重要時，具有高開關頻率的電源模塊可能是比分立解決方案更好的選擇。

表 3 比較了分立式和模塊式負載點解決方案，使用 WEBENCH Power Designer 計算相同操作條件下的解決方案尺寸和成本。功率模塊占用的電路板面積不到分立解決方案的一半，但僅增加了總解決方案成本的 25% 左右，在這種情況下為 0.45 美元。證明使用模塊的合理性取決于節(jié)省空間的重要性，甚至在較低的產(chǎn)量下可能是經(jīng)濟的。

表 3：離散與模塊解決方案比較

概括

PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運行，在設計負載點電源解決方案時需要特別注意。在創(chuàng)建高性能和可靠的產(chǎn)品時，諸如線路電壓瞬變、接地回路電流、熱預算和為處理器供電等挑戰(zhàn)很容易解決。

審核編輯：郭婷