Zavedení
Průmyslové automatizační systémy procházejí revolucí s cílem snížit latenci a prostoje. Toto úsilí, známé jako Průmysl 4.0, začlení větší inteligenci do všech továren-od HMI panelů a ovladačů po komunikační moduly, akční členy a senzory.
Tato revoluce je paralelou s revolucí sítí, kde se inteligence rozšířila z hlavních směrovačů na metropolitní sítě, okrajové sítě a až do poslední míle. Díky distribuci procesní inteligence na okraj (prostřednictvím senzorů a komunikačních modulů) lze rutinní rozhodnutí činit rychleji bez zapojení hlavního procesoru (umístěného v PLC). Tato dodatečná inteligence musí fungovat ve stejném nebo omezeném prostoru v továrně, což vyžaduje zvýšenou funkčnost v menších provedeních.
Toto zmenšení rozměrů desek plošných spojů zdůrazňuje výzvy tepelného managementu. Možnosti, jako jsou chladiče, jsou vyloučeny z důvodu omezení místa na desce. Ventilátory s nuceným oběhem vzduchu- nelze použít, protože utěsněné kryty zabraňují vnikání prachu a nečistot. V důsledku toho musí být řešení napájecích zdrojů vysoce účinná a zároveň poskytovat vyšší výkon a zabírat menší půdorys. V tomto řešení návrhu napájecího zdroje se budeme těmito požadavky zabývat a zároveň přezkoumáme dostupné možnosti napájecích zdrojů 20W-30W, porovnáme výkon a určíme optimální řešení.
Řešení spotřeby energie
Průmyslové aplikace se vyznačují jmenovitým napětím stejnosměrné sběrnice 24 V, které je zakotveno ve starších analogových relé a zůstává de facto průmyslovým standardem. U ne-kritických zařízení se však očekává, že maximální provozní napětí v průmyslových aplikacích bude 36V–40V. Kritická zařízení, jako jsou ovladače, akční členy a bezpečnostní moduly, musí podporovat 60 V (normy IEC61131-2, 60664-1 a 61508 SIL). Běžná výstupní napětí jsou 3,3 V a 5 V, s proudy v rozsahu od 10 mA v malých snímačích až po desítky ampérů v aplikacích pro řízení pohybu, CNC a PLC. Jasná volba je tedy jasná.
Ovládací aplikace: Regulátor napětí A Buck (krok-dolů).
Panel HMI: Zobrazovací panel rozhraní člověk{0}}stroj, obvykle obsahující ovládací tlačítka měniče, programovatelné logické ovladače (PLC), distribuované řídicí systémy (DCS), počítačové numerické řízení (CNC)
Komunikační moduly: Digitální a analogové I/O moduly využívající standardy, jako jsou sériové linky, řadiče, DeviceNet, Profibus, SercosIII, I/O Link, Ethernet atd.
Akční členy: Motory, pohony, řízení pohybu, robotika Senzory: Tlakové, teplotní, přibližovací, optické a různé další senzory.
Nejběžnější architekturou buck je asynchronní konvertor, protože výrobci polovodičů považují za jednoduché navrhnout asynchronní regulátory buck pro vysokonapěťové aplikace. V této konfiguraci je usměrňovací dioda na spodní -straně mimo integrovaný obvod.
Pro 24V vstup a 5V výstup pracuje převodník Buck při pracovním cyklu přibližně 20 %. To znamená, že vnitřní tranzistor na horní{4}}straně (T na obrázku 1) vede pouze 20 % času. Externí usměrňovací dioda (D) vede zbývajících 80 % času, což představuje většinu ztrátového výkonu.
Například při zátěži 4A vykazuje Schottkyho usměrňovací dioda jako B560C pokles napětí přibližně 0,64V. Při 80% pracovním cyklu se tedy ztráta vedením (primární ztráta při plné zátěži) blíží (0,64 V) × (4 A) × (0,80)=2W.
Na druhou stranu, pokud použijeme synchronní architekturu (obrázek 2), je dioda nahrazena nízkostranným MOSFETem, který funguje jako synchronní usměrňovač. Můžeme vyvážit úbytek 0,64 V na diodě proti úbytku na odběrovém -odporu zdroje tranzistoru MOSFET, R_(ds) (zapnuto).
Obrázek 1. Asynchronní Buck Converter
V našem příkladu MOSFET RJK0651DPB má Rds(on) pouze 11 mΩ, s velikostí pouzdra podobnou Schottkyho usměrňovači. To má za následek odpovídající pokles napětí pouze (11 mΩ) × (4 A)=44 mV a ztrátu výkonu pouze (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
Výkonová ztráta MOSFETu je přibližně 14krát nižší než výkonová ztráta Schottkyho při plné zátěži! Je zřejmé, že logickým přístupem k minimalizaci spotřeby energie je použití synchronního usměrňování.
Obrázek 2. Synchronní převodník Buck
Aby se minimalizovala celková velikost napájecího obvodu, měly by novější integrované obvody se synchronním usměrněním zahrnovat vnitřní kompenzaci pro jakoukoli frekvenci a výstupní napětí bez potřeby velkého výstupního kondenzátoru. Měly by také pracovat na vysokých frekvencích, aby bylo možné používat menší induktory a kondenzátory.
Obrázek 3. Typický aplikační obvod pro MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A převodník synchronního usměrňovače
MAX17536 a asynchronní řešení založené na zveřejněných specifikacích jsou znázorněny na obrázku 4. Pro obě zařízení byly testovací podmínky 24V vstup a 5V, 4A výstup. Jak se očekávalo, synchronní řešení Maxim prokázalo vyšší účinnost v celém rozsahu zátěžových proudů. Při plném zatížení (4A) dosáhlo synchronní řešení Maxima účinnosti přes 92 %, zatímco asynchronní zařízení dosáhlo pouze asi 86 %, což představuje rozdíl účinnosti přesahující 6 %.
Obrázek 4. Účinnost synchronních a asynchronních převodníků Buck
Závěr
Při řešení problémů se spotřebou energie v průmyslových aplikacích představuje MAX17536 řešení synchronního usměrnění pro vysoká vstupní napětí. Tento synchronní přístup demonstruje významnou výhodu účinnosti, která zmírňuje obavy ze ztráty energie.