산업 자동화 시스템의 설계자들은 점점 더 많은 과제에 직면 해 있습니다. 이러한 장비를 장착하면 크기와 열 제약이 증가 할 수 있습니다. 민감한 전자 장비가 엄격하게 조절되는 전압이 필요한 가혹한 산업 환경에서는 고객이 더 높은 성능과 기능을 요구합니다. 이 두 부분으로 구성된 시리즈의 1 부에서는 산업 전원 공급 장치에 대한 상충되는 요구와 일반적인 솔루션과 관련된 트레이드 오프를 탐색 할 것입니다.
소개
산업 자동화 시스템 설계는 독특한 과제를 제시합니다. 사실, 그것은 상충되는 요구의 이야기입니다. PLC (Programmable Logic Controllers) 및 I/O 모듈과 같은 하우스 시스템 구성 요소에 저비용 모듈 식 랙을 도입하면 엔지니어 및 솔루션에 심각한 공간과 열 제약이 있습니다. 이러한 과제는 먼지, 습도 및 진동에 취약한 가혹한 환경에서 매우 신뢰할 수있는 작동을 보장 할 필요성에 의해 악화됩니다.
또한 고객은 전력 소비, 장비 크기, 열 생성 및 비용을 증가시키지 않으면 서 후속 세대의 자동화 시스템에서 기능이 향상된 기능을 기대합니다. 이러한 개선 사항은 종종 전자 제품의 발전을 기반으로하지만 종종 가격이 낮습니다. 전력 공급량과 전원 수준이 낮은 전원 공급 장치에서 오는 동안 안정적으로 유지되어야합니다.
그러나 엔지니어들은 고객이 눈에 띄지 않는 전원 공급 장치를 설계하는 데 귀중한 프로젝트 시간을 소비하고 싶지 않으며 종종 귀중한 공간 낭비로 간주됩니다. 대신 엔지니어는 자동화 시스템을 경쟁에서 명확하게 구별하는 것들에 집중하는 것을 선호합니다.
반도체 공급 업체는 전원 공급 장치의 많은 주요 기능을 단일 장치에 통합하는 모듈을 도입하여 산업 자동화 시스템 설계자의 상충되는 요구에 대응했습니다. 그러나 산업 자동화 시스템에서 사용하는 12, 24 또는 48VDC 공급 장치에 의해 구동되도록 설계된 모듈은 전압 클램프에 의해 보호되거나 비동기 스위칭 기술을 사용하여 주 공급 장치를 괴롭히는 전압 스파이크를 견딜 수 있어야합니다. 두 솔루션 모두 더 크고 비싸고 효율적인 전원 시스템을 초래합니다. 정확히 시스템 엔지니어가 피하려고하는 것입니다.
이 애플리케이션 노트는 산업 제어 규제 기관에 대한 두 부분으로 구성된 시리즈의 1 부입니다. 여기서는 산업 제어 아키텍처와 독특한 디자인 과제를 만드는 전원 공급 장치 아키텍처에 대해 논의합니다. 이 시리즈의 2 부에서는 혁신적인 칩 설계와 결합 된 최신 실리콘 제작 기술을 활용하는 차세대 전력 장치에 대해 논의 할 것입니다.
산업 제어 아키텍처
24VDC는 대부분의 산업 제어 응용 분야 (특히 PLC를 사용하는 것)의 사실상 전압이되었지만 12VDC는 또한 일반적이며 배터리 백업 전압으로 사용되거나 광전지 (PV) 패널과 같은 대체 에너지 원이 제공합니다. 최근 POE (Power over Ethernet) 도입은 또한 산업용 자동화 제조업체가 표준에 지정된 48VDC 공급 장치로 구동되는 장비를 설계하도록 장려했습니다. 24VDC 전원 공급 장치를 사용하는 일반적인 산업 제어 시스템이 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1. 일반적인 산업 제어 시스템.
이 시스템은 센서로부터 정보를 수신하거나 액추에이터, 멀티 채널 디지털 입력, 다 채널 아날로그 입력 및 출력, 통신 기능 및 디지털 버스를 통해 연결된 프로세서 (CPU)에 명령을 보내는 I/O 모듈로 구성됩니다. PLC 일반적으로 컴퓨팅 파워를 제공합니다. 유틸리티에서 전원이 공급되고 24VDC로 내려 가서 백플레인을 통해 분배됩니다.
시스템의 전원 공급 장치를 면밀히 살펴보면 다양한 시스템 구성 요소에 필요한 전압 및 전류 레벨로 인해 더 큰 복잡성이 나타납니다. 그림 2는 파워 아키텍처의 작은 부분을 보여줍니다. 120VAC/230VAC 메인 전원 공급 장치는 처음에는 산업용 전원 모듈을 사용하여 표준 12VDC 또는 24VDC 시스템 백플레인 전원 공급 장치로 내려갔습니다. 시스템 수준에서,이 백 평면 전압은 개별 구성 요소가 요구하는 낮은 전압 레벨로 더 나아갑니다.
그림 2. 산업 자동화 시스템의 전력 아키텍처의 일부.
예를 들어, PLC는 마이크로 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP) 및 FPGA (Field-Programmable Gate Array)로 구성 될 수 있습니다. 이 장치는 5V ~ 1V의 전압 범위가 필요합니다. 그러나 전체 PLC는 최대 3.5A의 전류가 필요할 수 있습니다. 마찬가지로, 다중 채널 아날로그 I/O 모듈은 다양한 증폭기, 아날로그-디지털 컨버터 (ADC) 및 최대 500MA의 전류가있는 멀티플렉서 (MUX)에 대해 ± 15V 및 5V 공급 장치가 필요합니다.
문제를 복잡하게하기 위해 디자이너는 분배 네트워크의 번개 스트라이크와 같은 이벤트를 통해 전원 공급 장치에 영향을 미치거나 산업용 자동화 시스템과 동일한 전력 회로를 공유하는 무거운 하중을 빠르게 전환하여 과도 전압 스파이크 ( "과도한 전압")를 고려해야합니다. 전원 공급 장치 모듈이 공급 전압을 12VDC 또는 24VDC로, 특히 스위치 모드 유형 장치를 사용할 때 전원 공급 장치 자체에서 전원 공급 장치 아키텍처 자체에서 전압 스파이크가 발생할 수 있습니다.
이러한 과전압 이벤트는 매우 일반적이므로 국제 전기 화학위원회 (IEC)와 같은 조직은 엔지니어가 시스템을 견딜 수 있도록 시스템을 설계 할 것을 권장합니다. 예를 들어, 저전압 (1KVAC 및 1.5KVDC) 시스템의 절연 조정을 다루는 IEC 60664는 유틸리티 파생 24VDC 공급품으로 구동되는 산업 자동화에 사용되는 장비 유형을 포함하여 "클래스 II"장비를 설계해야한다고 명시하고 있습니다. 최대 60V의 과전압을 견딜 수 있습니다.
DC-DC 전압 조절 기본
DC-DC 전압 전환 (또는 "규제")은 대기업이며 반도체 공급 업체는 모든 응용 프로그램에 대한 광범위한 제품을 개발하는 데 많은 투자를 해왔습니다. 장치는 두 그룹으로 나뉩니다. 선형 조정기라고도하는 저축 조절기 (LDO); 그리고 전환 조절기.
응용 프로그램의 작동 특성에 신중하게 일치하면 스위칭 조정기는 LDOS에 비해 넓은 입력 전압 범위에 비해 일반적으로 더 효율적입니다. 또한, 스위칭 조절기는 쉽게 밟고 ( "부스트"), 스텝 다운 ( "벅") 및 전압을 반전시킬 수 있습니다. (산업용 자동화 시스템 전원 공급 장치의 일부는 반전 전압이 필요합니다. 반대로 LDO는 전압 만 하락할 수 있습니다.
스위칭 조정기는 사용하기 쉬운 LDO에 대한 단 하나의 단점이 있습니다. 레귤레이터의 설계가 더 복잡합니다. 이는 고주파 스위칭 작업에 의해 생성 된 전압 및 전류 잔디를 감쇠시키기 위해 출력 필터링이 필요하기 때문입니다. 이것은 민감한 칩의 문제를 일으키고 전자기 간섭 (EMI)을 생성합니다. 그럼에도 불구하고, 많은 현대 응용 프로그램을 설계하는 엔지니어들은 점점 더 스위칭 레귤레이터를 선호합니다.
스위칭 조절기의 작동의 핵심은 스위칭 장치로서 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 사용하는 것입니다. MOSFET이 켜져 있으면 전류는 하중과 에너지를 저장하는 외부 인덕터로 흐릅니다. MOSFET이 꺼지면 인덕터는 저장된 에너지를 부하에 제공합니다.
펄스 폭 변조 (PWM)는 일반적으로 출력 전압을 제어하는 데 사용됩니다. 주파수는 일정하게 유지되고 펄스 폭 ( "정시")은 원하는 전압을 제공하도록 조정됩니다. 레귤레이터의 고주파 스위칭은 시스템의 손실을 제한하면서 다양한 입력 및 하중 범위에서 비교적 안정적인 전압 출력을 유지합니다.
비동기 토폴로지 스위칭 레귤레이터 (도 3)에서, 인덕터에 저장된 에너지는 MOSFET 오프 사이클 동안 하중으로 전달 된 에너지가 하중으로 직접 흐르지 않는다. 대신, 그것은 외부 Schottky 다이오드를 통해 전파됩니다. 인덕터가 예상 부하에 따라 선택되면, 스위칭 레귤레이터는 연속 전도 모드에서 작동하여 안정적인 조절 전압을 제공합니다.
그림 3. 비동기 벅 조정기 회로.
이들 스위칭 조절기의 궁극적 효율은 외부 Schottky 다이오드의 순방향 전압 강하와 장치의 역 누출 전류 특성의 두 가지 주요 요인에 의해 결정됩니다. 최신 장치에서, 순방향 전압 강하는 약 0. 3v의 한계에 접근하고 있습니다. 이것은별로 들리지 않지만 일정한 장치 소비와 효율성이 줄어 듭니다.
Schottky 다이오드를 MOSFET으로 대체하면 트랜지스터의 온 저항 (R에서 R)이 고급 제조 기술을 사용하여 원래 다이오드보다 낮은 전압 (및 손실)을 유지할 수 있기 때문에 효율성을 향상시킵니다. 이 회로에서 두 MOSFET의 작동은 동기화되어 하나의 수행과 다른 하나는 꺼집니다.
그림 4. 동기 벅 조정기 회로.
소위 동기 조절기의 두 번째 MOSFET은 모듈에 통합 될 수 있습니다. 외부 Schottky 다이오드를 제거하는 것 외에도 이것은 단순화됩니다.회로 설계재료 청구서 (BOM)를 줄입니다.
동기 레귤레이터 설계의 부작용은 두 MOSFET (즉, 유도 손실의 두 배로)의 스위칭 작동으로 인해 전류가 인덕터의 양방향으로 흐르는 것입니다. 이것은 비동기 유형의 단방향 흐름과 비교됩니다. 동기 조절기에서는 손실이 일반적으로 작지만 장치 효율이 등가 비동기 유형보다 낮을 때 하중이 더 커집니다.
주요 반도체 공급 업체는 다양한 기술을 사용 하여이 단점을 해결했습니다. 예를 들어,격언통합일련의 것을 소개했습니다고전압MAX17503과 같은 동기 조절기, 3 가지 선택 가능한 작동 모드 (PWM, PFM) 및 불연속 전도 모드 (DCM)에서 장치를 작동하는 데 사용할 수있는 모드 기능이 있습니다. DCM은 또한 하중에서 효율성을 향상시키기 위해 리버스 인덕터 전류를 제거하지만 펄스를 건너 뛰지는 않습니다. 이로 인해 DCM은 주파수 민감한 응용 프로그램에 적합합니다.
요약
고전압, 고출력 전류 동기 조절기는 작고 효율적이며 디자인하기 쉬운 전력 모듈을 위해 산업 자동화의 요구를 충족시킵니다. 몇 가지 요인이 산업 전력 딜레마에 기여했지만 모든 요구를 충족하는 고전압 동기 조절기 아키텍처가 가능합니다. 적절한 구성 요소의 현재 선택은 제한적이지만, 범위는 일반적인 시스템의 모든 DC-DC 전압 변환 요구 사항을 충족시키기 위해 계속 확장되며, 수백 밀리 암프에서 여러 앰프까지의 전원 출력이 있습니다. 2 부에서는 동기 규제 기관의 새로운 혁신이 어떻게 전력 소비 문제를 해결하는 데 도움이되는지 논의 할 것입니다.