工業(yè)自動化電源困境：工業(yè)控制架構

工業(yè)自動化系統(tǒng)的設計者面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。機架安裝此類設備會導致尺寸和熱約束增加。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，敏感的電子設備需要嚴格調節(jié)的電壓，客戶需要更高的性能和功能。在這個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的權衡。

介紹

工業(yè)自動化系統(tǒng)設計提出了獨特的挑戰(zhàn)。事實上，這是一個相互沖突的需求的故事。引入低成本模塊化機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行，這些挑戰(zhàn)變得更加復雜。

此外，客戶期望后續(xù)幾代自動化系統(tǒng)的功能得到增強，并且所有這些都不會增加功耗、設備尺寸、發(fā)熱和成本。這種增強的功能通常以電子技術的進步為基礎，但往往有代價：更嚴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，同時來自不太完美的電源。

然而，工程師不想花費寶貴的項目時間來設計一個不被客戶注意到的電源，并且通常被認為是浪費寶貴的空間。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。

半導體供應商通過引入將電源的許多關鍵功能集成到單個器件中的模塊來響應工業(yè)自動化系統(tǒng)設計人員相互沖突的需求。但是，設計為由工業(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或使用異步開關技術來承受困擾主電源的電壓尖峰。這兩種解決方案都會導致更大、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。

本應用筆記是我們關于工業(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，以及使其獨特的電源架構，這是一個設計挑戰(zhàn)。在本系列的第 2 部分中，我們將討論利用與創(chuàng)新芯片設計相結合的最新硅制造技術的新一代功率器件。

工業(yè)控制架構

雖然24VDC已成為大多數工業(yè)控制應用（特別是那些采用PLC的應用）的實際電壓，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。最近推出的以太網供電（PoE）也鼓勵工業(yè)自動化制造商設計由該標準規(guī)定的48VDC電源供電的設備。 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、多通道數字輸入、多通道模擬輸入和輸出、通信功能以及通過數字總線鏈接的處理器（CPU）。PLC通常提供計算能力。電力由市電供電，降壓至24VDC，并通過背板分配。

仔細觀察系統(tǒng)的電源會發(fā)現，由于各種系統(tǒng)元件所需的不同電壓和電流水平，復雜性更大。圖2顯示了電源架構的一小部分。120VAC/230VAC 主電源最初使用工業(yè)電源模塊降壓至標準 12VDC 或 24VDC 系統(tǒng)背板電源。在系統(tǒng)級，該背板電壓進一步降壓至各個組件所需的較低電壓電平。

圖2.工業(yè)自動化系統(tǒng)電源架構的一部分。

例如，PLC 可以由微處理器、數字信號處理器 （DSP） 和現場可編程門陣列 （FPGA） 組成。這些器件需要 5V 至 1V 的電壓范圍。然而，整個PLC可能需要高達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、模數轉換器（ADC）和電流高達500mA的多路復用器（MUX）。

為了使事情變得更加復雜，設計人員需要考慮瞬態(tài)電壓尖峰（“過電壓”），這些尖峰通過配電網絡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載來影響電源供電。電源架構本身也可能發(fā)生電壓尖峰，例如，當電源模塊將電源電壓降壓至12VDC或24VDC時，特別是在使用開關模式類型器件時。

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

DC-DC 電壓調節(jié)基礎知識

DC-DC電壓轉換（或“調節(jié)”）是一項大生意，半導體供應商已投入大量資金為所有應用開發(fā)廣泛的產品。器件分為兩組：低壓差穩(wěn)壓器（LDO），也稱為線性穩(wěn)壓器;和開關穩(wěn)壓器。

當與應用的工作特性仔細匹配時，與LDO相比，開關穩(wěn)壓器通常在寬輸入電壓范圍內效率更高。此外，開關穩(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電壓。相比之下，LDO 只能降壓。

與簡單易用的LDO相比，開關穩(wěn)壓器有一個缺點：穩(wěn)壓器的設計更為復雜。這是因為需要輸出濾波來衰減高頻開關操作產生的電壓和電流紋波。這將給敏感芯片帶來問題，并產生電磁干擾（EMI）。盡管如此，設計許多當代應用的工程師越來越青睞開關穩(wěn)壓器。

開關穩(wěn)壓器工作的關鍵是使用金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）作為開關器件。當 MOSFET 導通時，電流既流向負載，也流向存儲能量的外部電感器。當 MOSFET 關斷時，電感器將其存儲的能量提供給負載。

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

在異步拓撲開關穩(wěn)壓器（圖 3）中，存儲在電感中然后在 MOSFET 關斷周期期間傳遞到負載的能量不會直接流向負載。相反，它通過外部肖特基二極管傳播。如果根據預期負載選擇電感，開關穩(wěn)壓器將在連續(xù)導通模式下工作，從而提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓。

圖3.異步降壓穩(wěn)壓器電路。

這類開關穩(wěn)壓器的最終效率主要由兩個因素決定：外部肖特基二極管的正向壓降和器件的反向漏電流特性。在現代設備中，正向壓降已接近約0.3V的極限。這聽起來并不多，但它確實會導致設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，因為導通電阻（R上）的晶體管可以使用先進的制造技術降低，使其正向電壓（以及損耗）低于原始二極管。該電路中兩個MOSFET的工作必須同步，使一個導通，另一個關斷。 （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，這還簡化了電路設計并減少了物料清單（BOM）。

同步穩(wěn)壓器設計的一個副作用是，由于兩個MOSFET的開關操作（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行比較。在同步穩(wěn)壓器中，損耗通常很小，但在較低負載下，器件的效率可能低于等效異步類型時，損耗會變得更大。

主要的半導體供應商已經使用多種技術解決了這一缺點。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、脈頻調制（PFM）和非連續(xù)導通模式（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載下的效率。DCM 還消除了反向電感電流，以便在較低負載下提高效率，但不會跳過脈沖。這使得 DCM 適用于對頻率敏感的應用。

總結

高壓、高輸出電流同步穩(wěn)壓器滿足工業(yè)自動化對緊湊、高效且易于設計的電源模塊的需求。有幾個因素導致了工業(yè)電源困境，但現在可以使用滿足所有需求的高壓同步穩(wěn)壓器架構。盡管當前合適元件的選擇有限，但范圍仍在繼續(xù)擴大，以滿足典型系統(tǒng)的所有 DC-DC 電壓轉換要求，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