Uvod
Industrijski avtomatizirani sistemi doživljajo revolucijo za zmanjšanje zakasnitev in izpadov. Ta prizadevanja, znana kot industrija 4.0, bodo vdelala večjo inteligenco v vse tovarne-od plošč HMI in krmilnikov do komunikacijskih modulov, aktuatorjev in senzorjev.
Ta revolucija je vzporedna z omrežno revolucijo, kjer se je inteligenca razširila od osrednjih usmerjevalnikov do metro omrežij, roba in vse do zadnje milje. Z distribucijo procesorske inteligence do roba (prek senzorjev in komunikacijskih modulov) je mogoče rutinske odločitve sprejemati hitreje brez vključevanja glavnega procesorja (v PLC-ju). Ta dodatna inteligenca mora delovati znotraj istega ali zmanjšanega prostora v tovarniških prostorih, kar zahteva večjo funkcionalnost v manjših oblikah.
To zmanjševanje dimenzij PCB poudarja izzive upravljanja toplote. Možnosti, kot so hladilni odvodi, so izključene zaradi prostorskih omejitev plošče premium. Ventilatorjev s prisilnim -zračenjem ni mogoče uporabiti, saj zaprta ohišja preprečujejo vstop prahu in onesnaževalcev. Posledično morajo biti rešitve za oskrbo z električno energijo visoko učinkovite, obenem pa zagotavljati večjo moč in zasedati manjši odtis. V tej rešitvi načrtovanja napajalnika bomo obravnavali te zahteve, medtem ko bomo pregledali razpoložljive možnosti za napajalnike 20W-30W, primerjali zmogljivost in določili optimalno rešitev.
Obravnava porabe energije
Industrijske aplikacije imajo nazivno napetost vodila DC 24 V, ki je zakoreninjena v podedovanih analognih relejih in ostaja de facto industrijski standard. Za ne-kritično opremo pa se pričakuje, da bo največja delovna napetost v industrijskih aplikacijah 36 V–40 V. Kritične naprave, kot so krmilniki, aktuatorji in varnostni moduli, morajo podpirati 60 V (standardi IEC61131-2, 60664-1 in 61508 SIL). Običajne izhodne napetosti so 3,3 V in 5 V, s tokovi v razponu od 10 mA v majhnih senzorjih do več deset amperov v aplikacijah za nadzor gibanja, CNC in PLC. Očitna izbira je torej jasna.
Nadzorne aplikacije: Regulator napetosti Buck (stop-navzdol).
Plošča HMI: zaslonska plošča vmesnika človek{0}}stroj, ki običajno vključuje gumbe za krmiljenje pogona, programabilne logične krmilnike (PLC), porazdeljene krmilne sisteme (DCS), računalniško numerično krmiljenje (CNC)
Komunikacijski moduli: Digitalni in analogni I/O moduli, ki uporabljajo standarde, kot so serijske linije, krmilniki, DeviceNet, Profibus, SercosIII, I/O Link, Ethernet itd.
Aktuatorji: motorji, pogoni, nadzor gibanja, robotika Senzorji: senzorji tlaka, temperature, bližine, optični in razni drugi senzorji.
Najpogostejša arhitektura znižanja je asinhroni pretvornik znižanja vrednosti, saj proizvajalci polprevodnikov enostavno oblikujejo asinhrone regulatorje znižanja vrednosti za visokonapetostne-napetostne aplikacije. V tej konfiguraciji je nizko-stranska usmerniška dioda zunaj integriranega vezja.
Pri vhodu 24 V in izhodu 5 V deluje pretvornik v vrednosti približno 20 %. To pomeni, da notranji tranzistor na visoki -strani (T na sliki 1) prevaja le 20 % časa. Zunanja usmerniška dioda (D) prevaja preostalih 80 % časa, kar predstavlja večino disipacije moči.
Na primer, pod obremenitvijo 4 A, Schottkyjeva usmerniška dioda, kot je B560C, kaže padec napetosti približno 0,64 V. Tako je pri 80-odstotnem delovnem ciklu izguba prevodnosti (primarna izguba pri polni obremenitvi) približno (0,64 V) × (4 A) × (0,80)=2 W.
Po drugi strani pa, če uporabimo sinhrono arhitekturo (slika 2), diodo nadomesti MOSFET na nizki-strani, ki deluje kot sinhroni usmernik. Padec napetosti 0,64 V na diodi lahko izravnamo s padcem na odvodnem-izvornem uporu tranzistorja MOSFET, R_(ds) (vklopljeno).
Slika 1. Asinhroni pretvornik vrednosti
V našem primeru ima MOSFET RJK0651DPB Rds(on) samo 11 mΩ, velikost paketa pa je podobna Schottkyjevemu usmerniku. Posledica tega je ustrezen padec napetosti le (11 mΩ) × (4 A)=44 mV in izguba moči samo (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
Izguba moči MOSFET-a je približno 14-krat manjša od izgube moči Schottkyja pri polni obremenitvi! Jasno je, da je logičen pristop za zmanjšanje porabe energije uporaba sinhronega popravljanja.
Slika 2. Sinhroni menjalni pretvornik
Da bi zmanjšali celotno velikost napajalnega vezja, bi morala novejša integrirana vezja za sinhrono usmerjanje vključevati notranjo kompenzacijo za katero koli frekvenco in izhodno napetost, ne da bi potrebovali velik izhodni kondenzator. Delovati morajo tudi pri visokih frekvencah, da se omogoči uporaba manjših induktorjev in kondenzatorjev.
Slika 3. Tipično aplikacijsko vezje za pretvornik MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A sinhronskega usmernika
MAX17536 in asinhrona rešitev, ki temelji na objavljenih specifikacijah, sta prikazana na sliki 4. Za obe napravi so bili preskusni pogoji 24 V vhod in 5 V, 4 A izhod. Kot je bilo pričakovano, je Maximova sinhronska rešitev pokazala višjo učinkovitost v celotnem območju obremenitvenega toka. Pri polni obremenitvi (4A) je Maximova sinhrona rešitev dosegla več kot 92-odstotno učinkovitost, medtem ko je asinhrona naprava dosegla le približno 86%, kar predstavlja razliko v učinkovitosti, ki presega 6%.
Slika 4. Učinkovitost sinhronih in asinhronih zniževalnih pretvornikov
Zaključek
Pri reševanju izzivov porabe energije v industrijskih aplikacijah predstavlja MAX17536 rešitev za sinhrono usmerjanje za visoke vhodne napetosti. Ta sinhroni pristop dokazuje znatno prednost učinkovitosti, saj zmanjšuje težave z disipacijo moči.