電子設計 發表於 2019-03-13 08:20:00
工業控制系統的電壓要求正在上升。例如，將乙太網供電（PoE）集成到這些系統中，鼓勵設計人員將其傳統的24 V電源遷移到新技術所要求的48 V電壓。
這些系統要求輸入電壓需要轉換至5或3 V（甚至更低）為電子設備供電。用於創建這些低壓軌中的一個或多個的傳統解決方案包括具有附加驅動器的低壓控制器，場效應電晶體（FET），有時還包括變壓器;並且高降壓比通常涉及多個功率級。但是，現代控制系統使用緊湊的模塊化單元來容納組件，因此空間緊湊。這導致對不需要佔用空間的強制冷卻的電子設備的需求。用消費電子設計人員首選的緊湊，高效，矽基電源模塊取代傳統電源是應對這一挑戰的一種方法。但是，切換到矽電源並不容易，因為工業控制系統的額定電壓在現代集成開關DC/DC穩壓器的能力範圍內，高達100 V的電壓尖峰並不少見。這種瞬態過電壓足以在幾秒鐘內破壞矽調節器。工程師不得不增加昂貴的電壓鉗位網絡，以保護敏感的矽電源，增加設計複雜性，佔用空間並增加成本。幸運的是，新一代寬輸入電壓集成矽電源正在變得可用可以承受大電壓尖峰而不會導致損壞或使下遊電路暴露於瞬變。本文介紹了其中一些產品及其應用。
工業設計電源
24 VDC已經成為大多數工業控制應用（特別是採用可編程邏輯控制器（PLC）的應用）的事實標準。然而，最近推出的乙太網供電（PoE）也促使工業自動化製造商設計出採用該標準規定的48 VDC供電的設備。 （請參閱TechZone文章「乙太網供電簡介」。）
典型的工業控制系統可能非常複雜，包括I/O模塊，用於接收來自傳感器的信息或向執行器發送指令，多通道數字輸入，多通道模擬輸入和輸出，通信和PLC。電源由主電源供電，逐步降至標稱系統電壓，並通過背板分配（圖1）。
圖1：工業控制系統原理圖（由Maxim提供）為了使事情變得更加困難，現代工業控制系統的設計人員面臨著在模塊化機櫃，預算緊張和嚴格的熱限制範圍內工作的壓力。現代矽基開關DC/DC電壓調節器可以應對許多這些挑戰。它們緊湊，高效且相對便宜。它們作為消費和汽車應用中電源的基礎越來越受歡迎。然而，由於一個關鍵缺點，即不能處理高電壓，這種裝置在工業應用中一直很慢幸運的是，設計和製造技術的改進使得多年來最大電壓能力不斷提升，並且越來越多的模塊可用於超過24 V的運行。現在甚至有一些產品可以直接處理輸入電壓高達48 V所需的PoE。
德州儀器（TI）推出的TPS61170採用纖巧的2 x 2 mm封裝。這款升壓（「升壓」），降壓（「降壓」）穩壓器基於單端初級電感轉換器（SEPIC），可在3至18 V輸入電壓下工作，最多可提供38個V.它通常工作在24 V輸出，同時從5 V電源提供150 mA，效率為93％。
對於48 V工作，凌力爾特公司提供LT1074 100 kHz降壓/升壓穩壓器。該器件可在8至64 V輸入電壓下工作，最高可提供高達50 V的輸出電壓。
處理過電壓
儘管指定一個最多可處理28的穩壓器似乎是完全合理的V用於24 V系統，或50 V電源模塊用於48 V控制系統，標稱電壓並非全部。設計人員還需要考慮影響主電源的過電壓（通過分配網絡上的照明衝擊，或通過快速切換與工業自動化系統共用相同電源電路的重負載）或電源內的過電壓架構本身（例如，從降低電源電壓的電源模塊，特別是如果它是開關模式類型的設備）。
這些過電壓事件如此常見，以至於國際電化學委員會（IEC）等組織建議工程師設計他們的系統來承受它們。 IEC 60664涉及「低壓」（1 kVAC和1.5 kVDC）系統中的絕緣配合，注意到「II類」設備（包括用於工業自動化的設備類型），由主電源供電24 VDC電源應設計為能夠承受高達60 V的過電壓。
這是一個挑戰，因為所謂的高壓調節器對過電壓特別敏感。它們的工作和絕對最大額定電壓之間的差距很小。
一種解決方案是使用保護鉗來保護穩壓器，該鉗位將電壓尖峰限制在低於元件絕對最大額定電壓的水平（圖2）。然而，這些鉗位會增加成本，佔用空間並延長設計時間表，從而抵消了首先使用矽基電壓調節器的許多好處。
圖2： 28 V穩壓器通過保護鉗保護過壓（德州儀器公司提供）。為了克服工業控制電路中對保護鉗的需求，半導體供應商在R＆amp; D上投入了大量資金，現在有一些設備可以處理輸入電壓高達60甚至75 V正在進入市場（圖3）。
圖3：功率控制器和穩壓器的額定電壓（德州儀器公司提供）。這些高性能晶片的一個例子是TI的LM5006。這是一款3.1 x 3.1 mm，同步降壓轉換器，可在6至75 V輸入電壓下工作，同時在輸出端提供高達75 V，600 mA電流。其他功能包括熱關斷，最大佔空比限制器，帶狀態標誌輸出的可編程欠壓檢測器，以及同步整流器的柵極驅動器輸出。高輸入電壓容差意味著LM5006可用於預期電壓尖峰而無需保護鉗位電路的應用（圖4），從而節省成本，空間和設計時間。
圖4：TI LM5006的高輸入電壓容差允許設計人員消除圖2所示的保護鉗位電路（德州儀器提供）。應該注意的是，儘管有許多高壓商用穩壓器可以處理電壓尖峰，這並不一定意味著它們將在瞬態事件期間保持完美的調節。輸出可能在正常操作限制之外變化，但不會使下遊電路暴露於破壞性過電壓。建議設計人員查看數據表，了解特定穩壓器在瞬態條件下的性能。
觀察當前要求
高壓輸入穩壓器的使用簡化了工業控制系統的開發，因為它們不需要保護鉗位電路，以屏蔽穩壓器免受電壓尖峰。然而，這並不是說電路設計很簡單。
仔細研究一下工業控制系統，可以發現各種系統元件所要求的電壓和電流水平變化所帶來的更大複雜性。 120/230 VAC主電源最初使用工業電源模塊降壓至標準系統背板24或48 VDC電源。在系統級，這個背板電壓會進一步降低到各個組件所需的較低電壓水平。
圖5：工業控制系統需要複雜的電源來應對各種系統元件要求的不同電壓和電流水平（Maxim Integrated提供）。
PLC可以包括微處理器，數位訊號處理器（DSP）和現場可編程門陣列（FPGA）。這些器件需要的電壓範圍為5至1 V，但PLC整體上可能需要高達3.5 A的電流。同樣，多通道模擬I/O模塊需要±15和5 V電源，用於各种放大器，模數轉換器（ADC）和多路復用器（MUX），電流高達500 mA。
這樣的系統將需要幾個與供電總線協同工作的調節器，並以矽所需的可變電流提供較低的電壓。一些製造商現在提供專為此目的而設計的電壓調節器系列Maxim提供MAX1750x系列，該系列中的穩壓器均可在4.5至60 V輸入電壓下工作，輸出電壓為0.9 V.該系列的主要優勢在於設計人員可以選擇具有特定部件所需電流輸出的元件工業控制系統。目前，該公司提供的輸出功率為300和500 mA，以及1 A，但表示它打算擴大範圍，包括具有「幾十毫安到幾十安培」功能的設備。用於為4至20 mA迴路的工業自動化系統傳感器供電。
用戶可以選擇採用脈衝頻率調製（PFM）或強制脈衝寬度調製（PWM）方案的設備。 PFM器件在輕負載時跳過脈衝以提高效率，而強制PWM器件在任何負載下以固定開關頻率工作，用於噪聲敏感應用。
其中一個晶片的一個例子是MAX17501。該晶片是同步型（集成兩個MOSFET，消除了外部肖特基二極體及其相關的外部元件）。 MAX17501採用3 x 2 mm封裝，效率高達85％（輸入電壓為24 V，輸出電流為450 mA）。不僅適用於工業控制 - 高壓，高輸出電流電壓穩壓器滿足工業自動化系統設計人員對緊湊，高效且易於設計的電源模塊的苛刻要求。由於具有寬輸入電壓容差，這些器件能夠承受主電源工業系統常見的電壓尖峰，而無需額外的保護鉗位電路。
這些器件的應用不僅限於工業控制系統。當設計師想要額外的安全性和穩健性時，它們也很有用。儘管低壓穩壓器在概念上可能是一個不錯的選擇，但設計人員明智地考慮在產品的使用壽命期間可能很少發生的異常情況。使用寬電壓輸入穩壓器，與低壓配電器一樣易於使用，讓您高枕無憂。最終產品將具有更高的可靠性，可能使其他同類產品的質量產生明顯差異。雖然目前選擇的合適組件有限，但在不久的將來將推出更多產品以涵蓋所有產品。典型系統的DC/DC電壓轉換要求，功率輸出從幾十毫安到幾安培。
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