산업 자동화 시스템 설계자는 점점 더 많은 과제에 직면해 있습니다. 이러한 장비를 랙에 장착하면 크기가 커지고 열 제약이 커집니다. 열악한 산업 환경에서 민감한 전자 장비는 엄격하게 규제된 전압을 요구하며 고객은 더 높은 성능과 기능을 요구합니다. 2부-로 구성된 이 시리즈의 1부에서는 산업용 전원 공급 장치에 대한 상충되는 요구 사항과 일반적인 솔루션과 관련된 절충안을 살펴보겠습니다.-
소개
산업 자동화 시스템 설계에는 고유한 과제가 있습니다. 사실 그것은 서로 상충되는 요구의 이야기이다. PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 및 I/O 모듈과 같은 시스템 구성 요소를 수용하기 위한 저가형 모듈식 랙의 도입으로 인해 엔지니어와 솔루션에 심각한 공간 및 열 제약이 발생했습니다. 이러한 과제는 먼지, 습기 및 진동에 취약한 열악한 환경에서 매우 안정적인 작동을 보장해야 하기 때문에 더욱 복잡해집니다.
또한 고객은 전력 소비, 장치 크기, 열 발생 또는 비용을 증가시키지 않으면서 후속 세대의 자동화 시스템에서 향상된 기능을 기대합니다. 이러한 향상된 기능은 전자 기술의 발전을 기반으로 하는 경우가 많지만, 이는 종종 비용이 발생합니다. 즉, 불완전한 전원에도 불구하고 안정적으로 유지되어야 하는 더 엄격한 전력 허용 오차 및 전압 레벨의 급증이 발생합니다.
그러나 엔지니어들은 고객의 눈에 띄지 않고 종종 귀중한 공간 낭비로 간주되는 전원 공급 장치를 설계하는 데 귀중한 프로젝트 시간을 낭비하고 싶지 않습니다. 대신 엔지니어들은 자동화 시스템을 경쟁업체와 명확하게 구별하는 기능에 집중하는 것을 선호합니다.
반도체 공급업체는 여러 주요 전원 공급 장치 기능을 단일 장치에 통합하는 모듈을 도입하여 산업 자동화 시스템 설계자의 상충되는 요구에 대응해 왔습니다. 그러나 산업 자동화 시스템에 사용되는 12, 24 또는 48VDC 전원 공급 장치로 구동되도록 설계된 모듈은 전압 클램프로 보호하거나 비동기식 스위칭 기술을 사용하여 주 전원 공급 장치를 괴롭히는 전압 스파이크를 견뎌야 합니다. 두 솔루션 모두 더 크고, 더 비싸고, 덜 효율적인 전력 시스템이 됩니다.-정확히 시스템 엔지니어가 피하려고 하는 것입니다.
이 애플리케이션 노트는 산업 제어 조정기에 관한 2부-시리즈 중 1부입니다. 여기에서는 설계 문제를 야기하는 산업 제어 아키텍처와 고유한 전원 공급 장치 아키텍처에 대해 논의합니다. 이 시리즈의 2부에서는 혁신적인 칩 설계와 결합된 최신 실리콘 제조 기술을 활용하는 차세대 전력 장치에 대해 논의합니다.
산업 제어 아키텍처
24VDC가 대부분의 산업 제어 애플리케이션(특히 PLC를 사용하는 애플리케이션)의 사실상 전압이 되었지만, 12VDC도 일반적으로 일반적으로 배터리 백업 전압으로 사용되거나 광전지(PV) 패널과 같은 대체 에너지원에서 공급됩니다. 최근 PoE(Power over Ethernet)가 도입되면서 산업 자동화 제조업체는 해당 표준에 지정된 48VDC 전원 공급 장치로 구동되는 장치를 설계하게 되었습니다. 24VDC 전원 공급 장치를 사용하는 일반적인 산업 제어 시스템이 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1. 일반적인 산업 제어 시스템.
시스템에는 센서로부터 정보를 수신하거나 액추에이터에 명령을 보내기 위한 I/O 모듈, 다중{0}}채널 디지털 입력, 다중-채널 아날로그 입력 및 출력, 통신 기능, 디지털 버스를 통해 연결된 프로세서(CPU)가 포함됩니다. PLC는 일반적으로 컴퓨팅 성능을 제공합니다. 전원은 주 전원으로 공급되며 24VDC로 강압되고 백플레인을 통해 분배됩니다.
시스템의 전원 공급 장치를 면밀히 살펴보면 다양한 시스템 구성 요소에 필요한 전압 및 전류 수준이 다양하기 때문에 복잡성이 증가한다는 것이 분명해집니다. 그림 2는 전원 공급 장치 아키텍처의 일부를 보여줍니다. 120VAC/230VAC 주 전원 공급 장치는 처음에 산업용 전원 모듈을 사용하여 표준 12VDC 또는 24VDC 시스템 백플레인 전원 공급 장치로 강압됩니다. 시스템 수준에서 이 백플레인 전압은 개별 구성 요소에 필요한 더 낮은 전압 수준으로 더욱 낮아집니다.
그림 2. 산업 자동화 시스템의 전원 공급 장치 아키텍처의 일부
예를 들어 PLC는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 현장{0}프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA)로 구성될 수 있습니다. 이러한 장치에는 5~1V의 전압 범위가 필요합니다. 그러나 전체 PLC에는 최대 3.5A의 전류가 필요할 수 있습니다. 마찬가지로 다중-채널 아날로그 I/O 모듈에는 다양한 증폭기, 아날로그{10}}-디지털 변환기(ADC) 및 전류가 최대 500mA인 멀티플렉서(MUX)를 위한 ±15V 및 5V 전원 공급 장치가 필요합니다.
문제를 더욱 복잡하게 만드는 설계자는 배전 네트워크의 낙뢰와 같은 사건을 통해 또는 산업 자동화 시스템과 동일한 전원 회로를 공유하는 무거운 부하의 신속한 전환을 통해 전원 공급 장치 전달에 영향을 미칠 수 있는 과도 전압 스파이크("과전압")를 고려해야 합니다. 특히 스위치- 모드 유형 장치를 사용할 때 전원 공급 장치 모듈이 전원 공급 장치 전압을 12VDC 또는 24VDC로 낮추는 경우와 같이 전원 공급 장치 아키텍처 자체 내에서 전압 스파이크가 발생할 수도 있습니다.
이러한 과전압 현상은 매우 흔한 일이므로 국제전기기술위원회(IEC)와 같은 조직에서는 엔지니어가 이를 견딜 수 있도록 시스템을 설계할 것을 권장합니다. 예를 들어, IEC 60664는 저전압(1kVAC 및 1.5kVDC) 시스템의 절연 조정을 다루며 주전원에서 파생된 24VDC로 구동되는 "클래스 II" 장비(산업 자동화에 사용되는 유형 포함)는 최대 60V의 과전압을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다고 명시하고 있습니다.
DC-DC 전압 조정 기본 사항
DC-DC 전압 변환(또는 '규제')은 큰 사업이며, 반도체 공급업체는 모든 애플리케이션을 위한 광범위한 제품 개발에 막대한 투자를 해왔습니다. 장치는 선형 조정기라고도 알려진 저-드롭아웃 조정기(LDO), 두 그룹으로 나뉩니다. 및 스위칭 레귤레이터.
애플리케이션의 작동 특성에 세심하게 맞춰질 경우 스위칭 조정기는 일반적으로 LDO에 비해 넓은 입력 전압 범위에서 더 높은 효율을 제공합니다. 또한 스위칭 조정기는 쉽게 전압을 부스트("승압-업"), 벅("승압-다운") 및 반전할 수 있습니다. (산업 자동화 시스템 전원 공급 장치의 특정 부분에는 반전 전압이 필요합니다. 이와 대조적으로 LDO는 벅만 가능합니다.)
간단하고 사용자 친화적인 LDO에 비해{0}}스위칭 조정기에는 한 가지 단점이 있습니다. 바로 설계가 더 복잡하다는 것입니다. 이는 고주파수 스위칭 동작에 의해 생성된 전압 및 전류 리플을 감쇠시키기 위해 출력 필터링이 필요하기 때문입니다.- 이로 인해 민감한 칩에 문제가 발생하고 전자기 간섭(EMI)이 발생할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 많은 최신 애플리케이션을 설계하는 엔지니어들은 스위칭 조정기를 점점 더 선호하고 있습니다.
스위칭 조정기 작동 방식의 핵심은 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 스위칭 장치로 사용하는 것입니다. MOSFET이 켜져 있으면 전류는 부하와 에너지를 저장하는 외부 인덕터 모두로 흐릅니다. MOSFET이 꺼지면 인덕터는 저장된 에너지를 부하에 제공합니다.
펄스 폭 변조(PWM)는 일반적으로 출력 전압을 제어하는 데 사용됩니다. 주파수는 일정하게 유지되는 반면 펄스 폭("켜짐-}시간")은 원하는 전압을 제공하도록 조정됩니다. 조정기의 고주파수 스위칭은 시스템의 손실을 최소화하는 동시에 다양한 입력 및 부하 조건에서 상대적으로 안정적인 전압 출력을 유지합니다.
비동기식 토폴로지 스위칭 조정기(그림 3)에서 인덕터에 저장된 에너지는 MOSFET 오프 사이클 동안 부하로 전달된 후 부하로 직접 흐르지 않습니다. 대신 외부 쇼트키 다이오드를 통해 전파됩니다. 예상 부하에 따라 인덕터를 선택하면 스위칭 조정기가 연속 전도 모드로 작동하여 안정적인 조정을 제공합니다.
그림 3. 비동기식 벅 레귤레이터 회로
이러한 유형의 스위칭 조정기의 궁극적인 효율성은 주로 외부 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하와 장치의 역방향 누설 전류 특성이라는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. 최신 장치에서는 순방향 전압 강하가 약 0.3V 한계에 접근하고 있습니다. 별 것 아닌 것처럼 보일 수도 있지만, 지속적인 전력 소비와 효율성 저하를 초래합니다.
쇼트키 다이오드를 MOSFET으로 교체하면 고급 제조 기술을 사용하여 트랜지스터의 온저항(Ron)을 줄여 원래 다이오드보다 순방향 전압(및 손실)을 낮출 수 있으므로 효율성이 향상됩니다. 이 회로의 두 MOSFET은 동기식으로 작동해야 하며, 하나는 전도되고 다른 하나는 차단됩니다. (그림 4 참조)
그림 4. 동기식 벅 레귤레이터 회로
동기 조정기라고 하는-두 번째 MOSFET을 모듈에 통합할 수 있습니다. 외부 쇼트키 다이오드가 필요하지 않을 뿐만 아니라 회로 설계가 단순화되고 BOM(Bill of Materials)이 절감됩니다.
동기식 레귤레이터 설계의 부작용은 두 MOSFET의 스위칭 동작으로 인해 인덕터에서 전류가 양방향으로 흐른다는 것입니다(즉, 인덕터 손실이 두 배로 증가). 이는 비동기식 유형의 단방향 흐름과 대조됩니다. 동기 조정기에서는 일반적으로 손실이 작지만 부하가 낮을 경우 장치 효율이 동등한 비동기식 조정기보다 낮아져 손실이 더 커질 수 있습니다.
주요 반도체 공급업체는 다양한 기술을 사용하여 이러한 단점을 해결했습니다. 예를 들어, Maxim Integrated는 장치가 PWM, PFM(펄스 주파수 변조) 및 DCM(불연속 전도 모드)의 세 가지 선택 가능한 모드에서 작동할 수 있도록 하는 MODE 기능을 갖춘 MAX17503과 같은 일련의 고전압 동기식 조정기를 출시했습니다. PWM은 정상 작동에 사용됩니다. PFM은 역방향 인덕턴스 전류를 제거하고 펄스를 건너뛰어 낮은 부하에서 효율성을 향상시킵니다. DCM은 또한 역방향 인덕턴스 전류를 제거하여 낮은 부하에서 효율을 향상시키지만 펄스를 건너뛰지는 않습니다. 따라서 DCM은 주파수-에 민감한 애플리케이션에 적합합니다.
요약
고{0}}전압, 고출력 전류-동기 조정기는 산업 자동화에서 작고 효율적이며 설계가 쉬운-전력 모듈에 대한 요구를 충족합니다. 산업용 전원 공급 장치 문제의 원인이 된 여러 요인이 있지만 이제 모든 요구 사항을 해결하기 위해 고전압 동기 조정기 아키텍처를 사용할 수 있습니다. 현재 적합한 구성 요소 선택이 제한되어 있지만 범위는 수백 밀리암페어에서 수 암페어에 이르는 전력 출력으로 일반 시스템의 모든 DC-DC 전압 변환 요구 사항을 충족하도록 계속 확장되고 있습니다. 2부에서는 동기식 조정기의 새로운 혁신이 어떻게 전력 소비 문제를 해결하는 데 도움이 되는지 논의하겠습니다.