Introducere
Sistemele de automatizare industriale trec printr-o revoluție pentru a reduce latența și timpul de nefuncționare. Acest efort, cunoscut sub numele de Industry 4.0, va încorpora o mai mare inteligență în fabrici-de la panouri HMI și controlere la module de comunicație, actuatoare și senzori.
Această revoluție este paralelă cu revoluția rețelelor, în care inteligența s-a extins de la routere de bază la rețele de metrou, margine și până la ultima milă. Prin distribuirea inteligenței de procesare către margine (prin senzori și module de comunicație), deciziile de rutină pot fi luate mai rapid fără a implica procesorul principal (situat în PLC). Această inteligență suplimentară trebuie să funcționeze în același spațiu sau în spațiu redus de pe podeaua fabricii, solicitând funcționalitate sporită în factori de formă mai mici.
Această reducere a dimensiunilor PCB evidențiază provocările de management termic. Opțiuni precum radiatoarele sunt excluse din cauza constrângerilor de spațiu premium pe placă. Ventilatoarele cu aer forțat-nu pot fi folosite, deoarece carcasele etanșe împiedică pătrunderea prafului și a contaminanților. În consecință, soluțiile de alimentare trebuie să fie foarte eficiente, oferind în același timp o putere mai mare și ocupând o amprentă mai mică. În această soluție de proiectare a sursei de alimentare, vom aborda aceste cerințe în timp ce examinăm opțiunile disponibile pentru sursele de alimentare de 20W-30W, comparăm performanța și determinăm soluția optimă.
Abordarea consumului de energie
Aplicațiile industriale au o tensiune nominală de magistrală DC de 24 V, înrădăcinată în relee analogice vechi și rămânând standardul industrial de facto. Cu toate acestea, pentru echipamentele ne-critice, tensiunea maximă de funcționare în aplicațiile industriale este de așteptat să fie de 36V-40V. Dispozitivele critice, cum ar fi controlerele, actuatoarele și modulele de siguranță, trebuie să accepte 60V (standardele IEC61131-2, 60664-1 și 61508 SIL). Tensiunile obișnuite de ieșire sunt 3,3 V și 5 V, cu curenți variind de la 10 mA la senzorii mici până la zeci de amperi în aplicațiile de control al mișcării, CNC și PLC. Alegerea evidentă este așadar clară.
Aplicații de control: un regulator de tensiune dobând (cobor{0}}).
Panou HMI: panou de afișare cu interfață uman-mașină, care încorporează de obicei butoane de control al unității, controlere logice programabile (PLC), sisteme de control distribuite (DCS), control numeric computerizat (CNC)
Module de comunicație: module I/O digitale și analogice care utilizează standarde precum linii seriale, controlere, DeviceNet, Profibus, SercosIII, I/O Link, Ethernet etc.
Dispozitive de acţionare: Motoare, acţionări, control al mişcării, robotică Senzori: Senzori de presiune, temperatură, proximitate, optici şi diverşi alţi senzori.
Cea mai comună arhitectură buck este convertorul buck asincron, deoarece producătorii de semiconductori consideră că este simplu să proiecteze regulatoare buck asincrone pentru aplicații de-înaltă tensiune. În această configurație, dioda redresoare cu partea inferioară-este externă circuitului integrat.
Pentru o intrare de 24 V și o ieșire de 5 V, convertorul buck funcționează la un ciclu de funcționare de aproximativ 20%. Aceasta înseamnă că tranzistorul intern-partea înaltă (T în figura 1) conduce doar 20% din timp. Dioda redresoare externă (D) conduce restul de 80% din timp, reprezentând cea mai mare parte a disipării de putere.
De exemplu, sub o sarcină de 4 A, o diodă redresoare Schottky precum B560C prezintă o cădere de tensiune de aproximativ 0,64 V. Astfel, la un ciclu de funcționare de 80%, pierderea prin conducție (pierderea primară la sarcină maximă) se aproximează la (0,64V) × (4A) × (0,80)=2W.
Pe de altă parte, dacă folosim o arhitectură sincronă (Figura 2), dioda este înlocuită cu un MOSFET cu latura joasă-care acționează ca un redresor sincron. Putem echilibra căderea de 0,64 V peste diodă cu căderea peste rezistența dren-sursei tranzistorului MOSFET, R_(ds) (pornit).
Figura 1. Convertor Buck asincron
În exemplul nostru, MOSFET RJK0651DPB are un Rds(on) de numai 11 mΩ, cu o dimensiune a pachetului similară cu un redresor Schottky. Aceasta are ca rezultat o cădere de tensiune corespunzătoare de doar (11 mΩ) × (4 A)=44 mV și o pierdere de putere de doar (0,044 V) × (4 A) × (0,80)=141 mW.
Pierderea de putere a MOSFET este de aproximativ 14 ori mai mică decât pierderea de putere a lui Schottky la sarcină maximă! În mod clar, abordarea logică pentru a minimiza consumul de energie este de a folosi rectificarea sincronă.
Figura 2. Convertor Buck sincron
Pentru a minimiza dimensiunea totală a circuitului de alimentare, circuitele integrate mai noi de redresare sincronă ar trebui să includă compensare internă pentru orice frecvență și tensiune de ieșire fără a necesita un condensator de ieșire mare. De asemenea, ar trebui să funcționeze la frecvențe înalte pentru a permite utilizarea unor inductori și condensatori mai mici.
Figura 3. Circuit de aplicație tipic pentru convertizorul Buck Redresor sincron MAX17536 24VIN/5VOUT, 4A
MAX17536 și o soluție asincronă bazată pe specificațiile publicate sunt prezentate în Figura 4. Pentru ambele dispozitive, condițiile de testare au fost 24V de intrare și 5V, 4A de ieșire. Așa cum era de așteptat, soluția sincronă Maxim a demonstrat o eficiență mai mare pe întreaga gamă de curent de sarcină. La sarcină maximă (4A), soluția sincronă Maxim a atins o eficiență de peste 92%, în timp ce dispozitivul asincron a atins doar aproximativ 86%, reprezentând o diferență de eficiență care depășește 6%.
Figura 4. Eficiența convertoarelor Buck sincrone și asincrone
Concluzie
Atunci când abordează provocările legate de consumul de energie în aplicațiile industriale, MAX17536 prezintă o soluție de redresare sincronă pentru tensiuni de intrare ridicate. Această abordare sincronă demonstrează un avantaj semnificativ de eficiență, atenuând preocupările legate de disiparea puterii.