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使用高压输入稳压器简化工业控制系统的开发

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-13 13:45:45 | 173 次阅读

工业控制系统的电压要求正在上升。例如,将以太网供电(PoE)集成到这些系统中,鼓励设计人员将其传统的24 V电源迁移到新技术所要求的48 V电压。

这些系统要求输入电压需要转换至5或3 V(甚至更低)为电子设备供电。用于创建这些低压轨中的一个或多个的传统解决方案包括具有附加驱动器的低压控制器,场效应晶体管(FET),有时还包括变压器;并且高降压比通常涉及多个功率级。但是,现代控制系统使用紧凑的模块化单元来容纳组件,因此空间紧凑。这导致对不需要占用空间的强制冷却的电子设备的需求。用消费电子设计人员首选的紧凑,高效,硅基电源模块取代传统电源是应对这一挑战的一种方法。但是,切换到硅电源并不容易,因为工业控制系统的额定电压在现代集成开关DC/DC稳压器的能力范围内,高达100 V的电压尖峰并不少见。这种瞬态过电压足以在几秒钟内破坏硅调节器。工程师不得不增加昂贵的电压钳位网络,以保护敏感的硅电源,增加设计复杂性,占用空间并增加成本。幸运的是,新一代宽输入电压集成硅电源正在变得可用可以承受大电压尖峰而不会导致损坏或使下游电路暴露于瞬变。本文介绍了其中一些产品及其应用。

工业设计电源

24 VDC已经成为大多数工业控制应用(特别是采用可编程逻辑控制器(PLC)的应用)的事实标准。然而,最近推出的以太网供电(PoE)也促使工业自动化制造商设计出采用该标准规定的48 VDC供电的设备。 (请参阅TechZone文章“以太网供电简介”。)

典型的工业控制系统可能非常复杂,包括I/O模块,用于接收来自传感器的信息或向执行器发送指令,多通道数字输入,多通道模拟输入和输出,通信和PLC。电源由主电源供电,逐步降至标称系统电压,并通过背板分配(图1)。

使用高压输入稳压器简化工业控制系统的开发

图1:工业控制系统原理图(由Maxim提供)为了使事情变得更加困难,现代工业控制系统的设计人员面临着在模块化机柜,预算紧张和严格的热限制范围内工作的压力。现代硅基开关DC/DC电压调节器可以应对许多这些挑战。它们紧凑,高效且相对便宜。它们作为消费和汽车应用中电源的基础越来越受欢迎。然而,由于一个关键缺点,即不能处理高电压,这种装置在工业应用中一直很慢幸运的是,设计和制造技术的改进使得多年来最大电压能力不断提升,并且越来越多的模块可用于超过24 V的运行。现在甚至有一些产品可以直接处理输入电压高达48 V所需的PoE。

德州仪器TI)推出的TPS61170采用纤巧的2 x 2 mm封装。这款升压(“升压”),降压(“降压”)稳压器基于单端初级电感转换器(SEPIC),可在3至18 V输入电压下工作,最多可提供38个V.它通常工作在24 V输出,同时从5 V电源提供150 mA,效率为93%。

对于48 V工作,凌力尔特公司提供LT1074 100 kHz降压/升压稳压器。该器件可在8至64 V输入电压下工作,最高可提供高达50 V的输出电压。

处理过电压

尽管指定一个最多可处理28的稳压器似乎是完全合理的V用于24 V系统,或50 V电源模块用于48 V控制系统,标称电压并非全部。设计人员还需要考虑影响主电源的过电压(通过分配网络上的照明冲击,或通过快速切换与工业自动化系统共用相同电源电路的重负载)或电源内的过电压架构本身(例如,从降低电源电压的电源模块,特别是如果它是开关模式类型的设备)。

这些过电压事件如此常见,以至于国际电化学委员会(IEC)等组织建议工程师设计他们的系统来承受它们。 IEC 60664涉及“低压”(1 kVAC和1.5 kVDC)系统中的绝缘配合,注意到“II类”设备(包括用于工业自动化的设备类型),由主电源供电24 VDC电源应设计为能够承受高达60 V的过电压。

这是一个挑战,因为所谓的高压调节器对过电压特别敏感。它们的工作和绝对最大额定电压之间的差距很小。

一种解决方案是使用保护钳来保护稳压器,该钳位将电压尖峰限制在低于元件绝对最大额定电压的水平(图2)。然而,这些钳位会增加成本,占用空间并延长设计时间表,从而抵消了首先使用硅基电压调节器的许多好处。

使用高压输入稳压器简化工业控制系统的开发

图2: 28 V稳压器通过保护钳保护过压(德州仪器公司提供)。为了克服工业控制电路中对保护钳的需求,半导体供应商在R& D上投入了大量资金,现在有一些设备可以处理输入电压高达60甚至75 V正在进入市场(图3)。

使用高压输入稳压器简化工业控制系统的开发

图3:功率控制器和稳压器的额定电压(德州仪器公司提供)。这些高性能芯片的一个例子是TI的LM5006。这是一款3.1 x 3.1 mm,同步降压转换器,可在6至75 V输入电压下工作,同时在输出端提供高达75 V,600 mA电流。其他功能包括热关断,最大占空比限制器,带状态标志输出的可编程欠压检测器,以及同步整流器的栅极驱动器输出。高输入电压容差意味着LM5006可用于预期电压尖峰而无需保护钳位电路的应用(图4),从而节省成本,空间和设计时间。

使用高压输入稳压器简化工业控制系统的开发

图4:TI LM5006的高输入电压容差允许设计人员消除图2所示的保护钳位电路(德州仪器提供)。应该注意的是,尽管有许多高压商用稳压器可以处理电压尖峰,这并不一定意味着它们将在瞬态事件期间保持完美的调节。输出可能在正常操作限制之外变化,但不会使下游电路暴露于破坏性过电压。建议设计人员查看数据表,了解特定稳压器在瞬态条件下的性能。

观察当前要求

高压输入稳压器的使用简化了工业控制系统的开发,因为它们不需要保护钳位电路,以屏蔽稳压器免受电压尖峰。然而,这并不是说电路设计很简单。

仔细研究一下工业控制系统,可以发现各种系统元件所要求的电压和电流水平变化所带来的更大复杂性。 120/230 VAC主电源最初使用工业电源模块降压至标准系统背板24或48 VDC电源。在系统级,这个背板电压会进一步降低到各个组件所需的较低电压水平。

使用高压输入稳压器简化工业控制系统的开发

图5:工业控制系统需要复杂的电源来应对各种系统元件要求的不同电压和电流水平(Maxim Integrated提供)。

PLC可以包括微处理器,数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)。这些器件需要的电压范围为5至1 V,但PLC整体上可能需要高达3.5 A的电流。同样,多通道模拟I/O模块需要±15和5 V电源,用于各种放大器模数转换器ADC)和多路复用器(MUX),电流高达500 mA。

这样的系统将需要几个与供电总线协同工作的调节器,并以硅所需的可变电流提供较低的电压。一些制造商现在提供专为此目的而设计的电压调节器系列Maxim提供MAX1750x系列,该系列中的稳压器均可在4.5至60 V输入电压下工作,输出电压为0.9 V.该系列的主要优势在于设计人员可以选择具有特定部件所需电流输出的元件工业控制系统。目前,该公司提供的输出功率为300和500 mA,以及1 A,但表示它打算扩大范围,包括具有“几十毫安到几十安培”功能的设备。用于为4至20 mA回路的工业自动化系统传感器供电。

用户可以选择采用脉冲频率调制(PFM)或强制脉冲宽度调制(PWM)方案的设备。 PFM器件在轻负载时跳过脉冲以提高效率,而强制PWM器件在任何负载下以固定开关频率工作,用于噪声敏感应用。

其中一个芯片的一个例子是MAX17501。该芯片是同步型(集成两个MOSFET,消除了外部肖特基二极管及其相关的外部元件)。 MAX17501采用3 x 2 mm封装,效率高达85%(输入电压为24 V,输出电流为450 mA)。不仅适用于工业控制 - 高压,高输出电流电压稳压器满足工业自动化系统设计人员对紧凑,高效且易于设计的电源模块的苛刻要求。由于具有宽输入电压容差,这些器件能够承受主电源工业系统常见的电压尖峰,而无需额外的保护钳位电路。

这些器件的应用不仅限于工业控制系统。当设计师想要额外的安全性和稳健性时,它们也很有用。尽管低压稳压器在概念上可能是一个不错的选择,但设计人员明智地考虑在产品的使用寿命期间可能很少发生的异常情况。使用宽电压输入稳压器,与低压配电器一样易于使用,让您高枕无忧。最终产品将具有更高的可靠性,可能使其他同类产品的质量产生明显差异。虽然目前选择的合适组件有限,但在不久的将来将推出更多产品以涵盖所有产品。典型系统的DC/DC电压转换要求,功率输出从几十毫安到几安培。

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