使用高壓輸入穩(wěn)壓器簡化工業(yè)控制系統(tǒng)的開發(fā)

工業(yè)控制系統(tǒng)的電壓要求正在上升。例如，將以太網(wǎng)供電(PoE)集成到這些系統(tǒng)中，鼓勵設(shè)計(jì)人員將其傳統(tǒng)的24 V電源遷移到新技術(shù)所要求的48 V電壓。

這些系統(tǒng)要求輸入電壓需要轉(zhuǎn)換至5或3 V(甚至更低)為電子設(shè)備供電。用于創(chuàng)建這些低壓軌中的一個或多個的傳統(tǒng)解決方案包括具有附加驅(qū)動器的低壓控制器，場效應(yīng)晶體管(FET)，有時還包括變壓器;并且高降壓比通常涉及多個功率級。但是，現(xiàn)代控制系統(tǒng)使用緊湊的模塊化單元來容納組件，因此空間緊湊。這導(dǎo)致對不需要占用空間的強(qiáng)制冷卻的電子設(shè)備的需求。用消費(fèi)電子設(shè)計(jì)人員首選的緊湊，高效，硅基電源模塊取代傳統(tǒng)電源是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的一種方法。但是，切換到硅電源并不容易，因?yàn)楣I(yè)控制系統(tǒng)的額定電壓在現(xiàn)代集成開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器的能力范圍內(nèi)，高達(dá)100 V的電壓尖峰并不少見。這種瞬態(tài)過電壓足以在幾秒鐘內(nèi)破壞硅調(diào)節(jié)器。工程師不得不增加昂貴的電壓鉗位網(wǎng)絡(luò)，以保護(hù)敏感的硅電源，增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，占用空間并增加成本。幸運(yùn)的是，新一代寬輸入電壓集成硅電源正在變得可用可以承受大電壓尖峰而不會導(dǎo)致?lián)p壞或使下游電路暴露于瞬變。本文介紹了其中一些產(chǎn)品及其應(yīng)用。

工業(yè)設(shè)計(jì)電源

24 VDC已經(jīng)成為大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用(特別是采用可編程邏輯控制器(PLC)的應(yīng)用)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。然而，最近推出的以太網(wǎng)供電(PoE)也促使工業(yè)自動化制造商設(shè)計(jì)出采用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的48 VDC供電的設(shè)備。 (請參閱TechZone文章“以太網(wǎng)供電簡介”。)

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)可能非常復(fù)雜，包括I/O模塊，用于接收來自傳感器的信息或向執(zhí)行器發(fā)送指令，多通道數(shù)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(biāo)稱系統(tǒng)電壓，并通過背板分配(圖1)。

圖1：工業(yè)控制系統(tǒng)原理圖(由Maxim提供)為了使事情變得更加困難，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員面臨著在模塊化機(jī)柜，預(yù)算緊張和嚴(yán)格的熱限制范圍內(nèi)工作的壓力?，F(xiàn)代硅基開關(guān)DC/DC電壓調(diào)節(jié)器可以應(yīng)對許多這些挑戰(zhàn)。它們緊湊，高效且相對便宜。它們作為消費(fèi)和汽車應(yīng)用中電源的基礎(chǔ)越來越受歡迎。然而，由于一個關(guān)鍵缺點(diǎn)，即不能處理高電壓，這種裝置在工業(yè)應(yīng)用中一直很慢幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的改進(jìn)使得多年來最大電壓能力不斷提升，并且越來越多的模塊可用于超過24 V的運(yùn)行?，F(xiàn)在甚至有一些產(chǎn)品可以直接處理輸入電壓高達(dá)48 V所需的PoE。

德州儀器(TI)推出的TPS61170采用纖巧的2 x 2 mm封裝。這款升壓(“升壓”)，降壓(“降壓”)穩(wěn)壓器基于單端初級電感轉(zhuǎn)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%。

對于48 V工作，凌力爾特公司提供LT1074 100 kHz降壓/升壓穩(wěn)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(dá)50 V的輸出電壓。

處理過電壓

盡管指定一個最多可處理28的穩(wěn)壓器似乎是完全合理的V用于24 V系統(tǒng)，或50 V電源模塊用于48 V控制系統(tǒng)，標(biāo)稱電壓并非全部。設(shè)計(jì)人員還需要考慮影響主電源的過電壓(通過分配網(wǎng)絡(luò)上的照明沖擊，或通過快速切換與工業(yè)自動化系統(tǒng)共用相同電源電路的重負(fù)載)或電源內(nèi)的過電壓架構(gòu)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(guān)模式類型的設(shè)備)。

這些過電壓事件如此常見，以至于國際電化學(xué)委員會(IEC)等組織建議工程師設(shè)計(jì)他們的系統(tǒng)來承受它們。 IEC 60664涉及“低壓”(1 kVAC和1.5 kVDC)系統(tǒng)中的絕緣配合，注意到“II類”設(shè)備(包括用于工業(yè)自動化的設(shè)備類型)，由主電源供電24 VDC電源應(yīng)設(shè)計(jì)為能夠承受高達(dá)60 V的過電壓。

這是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)樗^的高壓調(diào)節(jié)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(hù)鉗來保護(hù)穩(wěn)壓器，該鉗位將電壓尖峰限制在低于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，占用空間并延長設(shè)計(jì)時間表，從而抵消了首先使用硅基電壓調(diào)節(jié)器的許多好處。

圖2： 28 V穩(wěn)壓器通過保護(hù)鉗保護(hù)過壓(德州儀器公司提供)。為了克服工業(yè)控制電路中對保護(hù)鉗的需求，半導(dǎo)體供應(yīng)商在R& D上投入了大量資金，現(xiàn)在有一些設(shè)備可以處理輸入電壓高達(dá)60甚至75 V正在進(jìn)入市場(圖3)。

圖3：功率控制器和穩(wěn)壓器的額定電壓(德州儀器公司提供)。這些高性能芯片的一個例子是TI的LM5006。這是一款3.1 x 3.1 mm，同步降壓轉(zhuǎn)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(dá)75 V，600 mA電流。其他功能包括熱關(guān)斷，最大占空比限制器，帶狀態(tài)標(biāo)志輸出的可編程欠壓檢測器，以及同步整流器的柵極驅(qū)動器輸出。高輸入電壓容差意味著LM5006可用于預(yù)期電壓尖峰而無需保護(hù)鉗位電路的應(yīng)用(圖4)，從而節(jié)省成本，空間和設(shè)計(jì)時間。

圖4：TI LM5006的高輸入電壓容差允許設(shè)計(jì)人員消除圖2所示的保護(hù)鉗位電路(德州儀器提供)。應(yīng)該注意的是，盡管有許多高壓商用穩(wěn)壓器可以處理電壓尖峰，這并不一定意味著它們將在瞬態(tài)事件期間保持完美的調(diào)節(jié)。輸出可能在正常操作限制之外變化，但不會使下游電路暴露于破壞性過電壓。建議設(shè)計(jì)人員查看數(shù)據(jù)表，了解特定穩(wěn)壓器在瞬態(tài)條件下的性能。

觀察當(dāng)前要求

高壓輸入穩(wěn)壓器的使用簡化了工業(yè)控制系統(tǒng)的開發(fā)，因?yàn)樗鼈儾恍枰Ｗo(hù)鉗位電路，以屏蔽穩(wěn)壓器免受電壓尖峰。然而，這并不是說電路設(shè)計(jì)很簡單。

仔細(xì)研究一下工業(yè)控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)各種系統(tǒng)元件所要求的電壓和電流水平變化所帶來的更大復(fù)雜性。 120/230 VAC主電源最初使用工業(yè)電源模塊降壓至標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)背板24或48 VDC電源。在系統(tǒng)級，這個背板電壓會進(jìn)一步降低到各個組件所需的較低電壓水平。

圖5：工業(yè)控制系統(tǒng)需要復(fù)雜的電源來應(yīng)對各種系統(tǒng)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(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。這些器件需要的電壓范圍為5至1 V，但PLC整體上可能需要高達(dá)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，用于各種放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和多路復(fù)用器(MUX)，電流高達(dá)500 mA。

這樣的系統(tǒng)將需要幾個與供電總線協(xié)同工作的調(diào)節(jié)器，并以硅所需的可變電流提供較低的電壓。一些制造商現(xiàn)在提供專為此目的而設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器系列Maxim提供MAX1750x系列，該系列中的穩(wěn)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(yōu)勢在于設(shè)計(jì)人員可以選擇具有特定部件所需電流輸出的元件工業(yè)控制系統(tǒng)。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(kuò)大范圍，包括具有“幾十毫安到幾十安培”功能的設(shè)備。用于為4至20 mA回路的工業(yè)自動化系統(tǒng)傳感器供電。

用戶可以選擇采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)或強(qiáng)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)方案的設(shè)備。 PFM器件在輕負(fù)載時跳過脈沖以提高效率，而強(qiáng)制PWM器件在任何負(fù)載下以固定開關(guān)頻率工作，用于噪聲敏感應(yīng)用。

其中一個芯片的一個例子是MAX17501。該芯片是同步型(集成兩個MOSFET，消除了外部肖特基二極管及其相關(guān)的外部元件)。 MAX17501采用3 x 2 mm封裝，效率高達(dá)85%(輸入電壓為24 V，輸出電流為450 mA)。不僅適用于工業(yè)控制 - 高壓，高輸出電流電壓穩(wěn)壓器滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對緊湊，高效且易于設(shè)計(jì)的電源模塊的苛刻要求。由于具有寬輸入電壓容差，這些器件能夠承受主電源工業(yè)系統(tǒng)常見的電壓尖峰，而無需額外的保護(hù)鉗位電路。

這些器件的應(yīng)用不僅限于工業(yè)控制系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)計(jì)師想要額外的安全性和穩(wěn)健性時，它們也很有用。盡管低壓穩(wěn)壓器在概念上可能是一個不錯的選擇，但設(shè)計(jì)人員明智地考慮在產(chǎn)品的使用壽命期間可能很少發(fā)生的異常情況。使用寬電壓輸入穩(wěn)壓器，與低壓配電器一樣易于使用，讓您高枕無憂。最終產(chǎn)品將具有更高的可靠性，可能使其他同類產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)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(chǎn)品以涵蓋所有產(chǎn)品。典型系統(tǒng)的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換要求，功率輸出從幾十毫安到幾安培。