Los diseñadores de sistemas de automatización industrial enfrentan desafíos crecientes. El montaje de la rejilla, dicho equipo puede provocar mayores restricciones de tamaño y térmico. En entornos industriales duros, donde el equipo electrónico sensible requiere voltajes estrechamente regulados, los clientes exigen un mayor rendimiento y funcionalidad. En la Parte 1 de esta serie de dos partes, exploraremos las demandas conflictivas sobre el suministro de energía industrial y las compensaciones asociadas con soluciones comunes.
Introducción
El diseño del sistema de automatización industrial presenta desafíos únicos. De hecho, es una historia de demandas conflictivas. La introducción de bastidores modulares de bajo costo para albergar componentes del sistema, como controladores lógicos programables (PLC) y los módulos de E/S, colocan restricciones severas de espacio y térmico en ingenieros y soluciones. Estos desafíos se ven agravados por la necesidad de garantizar una operación altamente confiable en entornos duros susceptibles a la suciedad, la humedad y la vibración.
Además, los clientes esperan una funcionalidad mejorada en generaciones posteriores de sistemas de automatización, todos sin aumentar el consumo de energía, el tamaño del equipo, la generación de calor y el costo. Dichas mejoras a menudo se basan en avances en electrónica, pero a menudo tienen un precio: tolerancias de potencia más estrictas y sobretensiones en los niveles de voltaje que deben permanecer estables al tiempo que provienen de alimentos menos que perfectos.
Sin embargo, los ingenieros no quieren pasar el valioso tiempo de proyecto diseñando una fuente de alimentación que pasa desapercibida para los clientes y a menudo se considera un desperdicio de espacio valioso. En cambio, el ingeniero prefiere centrarse en cosas que claramente diferencian su sistema de automatización de la competencia.
Los proveedores de semiconductores han respondido a las necesidades conflictivas de los diseñadores de sistemas de automatización industrial al introducir módulos que integran muchas de las funciones clave de una fuente de alimentación en un solo dispositivo. Sin embargo, los módulos diseñados para ser alimentados por los suministros de 12, 24 o 48 VDC utilizados por los sistemas de automatización industrial deben estar protegidos por abrazaderas de voltaje o usar técnicas de conmutación asincrónicas para soportar los picos de voltaje que afectan el suministro de la red. Ambas soluciones dan como resultado sistemas de energía más grandes, más caros y menos eficientes, exactamente lo que los ingenieros del sistema están tratando de evitar.
Esta nota de aplicación es la Parte 1 de nuestra serie de dos partes sobre reguladores de control industrial. Aquí, discutimos las arquitecturas de control industrial y las arquitecturas de la fuente de alimentación que las hacen únicas, un desafío de diseño. En la Parte 2 de esta serie, discutiremos la próxima generación de dispositivos de potencia que utilizan las últimas técnicas de fabricación de silicio combinadas con diseños innovadores de chips.
Arquitectura de control industrial
Si bien 24 VCC se ha convertido en el voltaje de facto para la mayoría de las aplicaciones de control industrial (especialmente aquellas que utilizan PLC), 12 VDC también es común y a menudo se usa como un voltaje de respaldo de batería o proporcionada por fuentes de energía alternativas como paneles fotovoltaicos (PV). La reciente introducción de energía sobre Ethernet (POE) también ha alentado a los fabricantes de automatización industrial a diseñar equipos alimentados por el suministro de 48 VDC especificado en el estándar. En la Figura 1 se muestra un sistema de control industrial típico que utiliza una fuente de alimentación de 24 VDC.
Figura 1. Sistema de control industrial típico.
El sistema consta de módulos de E/S para recibir información de sensores o comandos de envío a actuadores, entradas digitales multicanal, entradas y salidas analógicas multicanal, funciones de comunicación y un procesador (CPU) vinculado a través de un bus digital. Típicamente proporciona la potencia informática. La potencia se suministra desde la utilidad, se reduce a 24 VCC y se distribuye a través del plano posterior.
Una mirada más cercana a la fuente de alimentación del sistema revela una mayor complejidad debido a los diferentes niveles de voltaje y corriente requeridos por los diversos componentes del sistema. La Figura 2 muestra una pequeña porción de la arquitectura de potencia. La fuente de alimentación principal de 120VAC/230VAC se reduce inicialmente a una fuente de alimentación del plano posterior estándar de 12 VDC o 24 VDC utilizando un módulo de potencia industrial. A nivel del sistema, este voltaje de placa posterior se reduce aún más a los niveles de voltaje más bajos requeridos por los componentes individuales.
Figura 2. Parte de la arquitectura de potencia de un sistema de automatización industrial.
Por ejemplo, un PLC puede consistir en un microprocesador, un procesador de señal digital (DSP) y una matriz de compuerta programable de campo (FPGA). Estos dispositivos requieren un rango de voltaje de 5V a 1V. Sin embargo, todo el PLC puede requerir hasta 3.5A de corriente. Del mismo modo, los módulos de E/S analógicos multicanal requieren suministros de ± 15V y 5V para varios amplificadores, convertidores analógicos a digitales (ADC) y multiplexores (MUX) con corrientes de hasta 500 mA.
Para complicar las cosas, los diseñadores deben considerar las picos de voltaje transitorio ("sobretensiones") que afectan las fuentes de alimentación a través de eventos como rayos en la red de distribución o cambiando rápidamente las cargas pesadas que comparten los mismos circuitos de potencia que el sistema de automatización industrial. Los picos de voltaje también pueden ocurrir en la arquitectura de la fuente de alimentación en sí, por ejemplo, cuando un módulo de fuente de alimentación reduce el voltaje de suministro a 12VDC o 24 VCC, especialmente cuando se usa dispositivos de tipo de modo de interruptor.
Estos eventos de sobretensión son tan comunes que organizaciones como la Comisión Electroquímica Internacional (IEC) recomiendan que los ingenieros diseñen sus sistemas para resistirlos. Por ejemplo, IEC 60664, que se ocupa de la coordinación de aislamiento en los sistemas de bajo voltaje (1KVAC y 1.5KVDC), establece que los equipos "de clase II" (incluidos los tipos de equipos utilizados en la automatización industrial) alimentados por suministros de 24VDC derivados de servicios públicos Para soportar sobrecargaciones de hasta 60 V.
Conceptos básicos de regulación de voltaje DC-DC
La conversión de voltaje DC-DC (o "regulación") es un gran negocio, y los proveedores de semiconductores han invertido mucho en el desarrollo de una amplia gama de productos para todas las aplicaciones. Los dispositivos se dividen en dos grupos: reguladores de baja deserción (LDoS), también conocidos como reguladores lineales; y cambiando reguladores.
Cuando se combina cuidadosamente con las características operativas de la aplicación, los reguladores de conmutación suelen ser más eficientes en un amplio rango de voltaje de entrada en comparación con los LDoS. Además, los reguladores de conmutación pueden aumentar fácilmente ("impulsar"), bajar ("dinero") e invertir voltajes. (Tenga en cuenta que algunas partes de las fuentes de alimentación del sistema de automatización industrial requieren voltajes de inversión. En contraste, los LDO solo pueden reducir los voltajes.
Los reguladores de conmutación tienen una desventaja sobre LDoS fáciles de usar: el diseño del regulador es más complejo. Esto se debe a que se requiere filtrado de salida para atenuar el voltaje y las ondas de corriente generadas por operaciones de conmutación de alta frecuencia. Esto causa problemas para los chips sensibles y genera interferencia electromagnética (EMI). A pesar de esto, los ingenieros que diseñan muchas aplicaciones contemporáneas favorecen cada vez más a los reguladores de conmutación.
La clave para la operación de los reguladores de conmutación es el uso de transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET) como dispositivos de conmutación. Cuando el MOSFET está encendido, la corriente fluye tanto a la carga como a un inductor externo que almacena la energía. Cuando el MOSFET se apaga, el inductor proporciona su energía almacenada a la carga.
La modulación de ancho de pulso (PWM) se usa típicamente para controlar el voltaje de salida. La frecuencia se mantiene constante y el ancho de pulso ("en tiempo") se ajusta para proporcionar el voltaje deseado. La conmutación de alta frecuencia del regulador limita las pérdidas en el sistema mientras se mantiene una salida de voltaje relativamente estable en un rango de entradas y cargas.
En un regulador de conmutación de topología asincrónica (Figura 3), la energía almacenada en el inductor y luego transferida a la carga durante el ciclo de apagado MOSFET no fluye directamente a la carga. En cambio, se propaga a través de un diodo Schottky externo. Si el inductor se selecciona en función de la carga esperada, el regulador de conmutación funcionará en modo de conducción continua, proporcionando así un voltaje regulado estable.
Figura 3. Circuito del regulador de dólar asíncrono.
La máxima eficiencia de estos reguladores de conmutación está determinada por dos factores principales: la caída de voltaje hacia adelante del diodo Schottky externo y las características de corriente de fuga inversa del dispositivo. En dispositivos modernos, la caída de voltaje hacia adelante se acerca a un límite de aproximadamente 0. 3V. Esto no parece mucho, pero conduce a un consumo constante de dispositivos y una eficiencia reducida.
Reemplazar el diodo Schottky con un MOSFET mejora la eficiencia porque la resistencia (en R) del transistor se puede bajar utilizando técnicas de fabricación avanzada para mantener el voltaje directo (y las pérdidas) más baja que el diodo original. El funcionamiento de los dos MOSFET en este circuito debe sincronizarse para que uno realice y el otro se apague.
Figura 4. Circuito del regulador de dólar sincrónico.
El segundo MOSFET del llamado regulador sincrónico se puede integrar en el módulo. Además de eliminar el diodo schottky externo, esto simplificael diseño del circuitoy reduce la factura de materiales (BOM).
Un efecto secundario del diseño del regulador sincrónico es que debido a la operación de conmutación de los dos MOSFET (es decir, duplicación de pérdidas inductivas), fluye la corriente en ambas direcciones en el inductor. Esto se compara con el flujo unidireccional en el tipo asincrónico. En los reguladores sincrónicos, las pérdidas suelen ser pequeñas, pero se hacen más grandes en cargas más bajas cuando la eficiencia del dispositivo puede ser menor que el tipo asíncrono equivalente.
Los principales proveedores de semiconductores han abordado esta deficiencia utilizando una variedad de técnicas. Por ejemplo,MáximaIntegradoha introducido una serie dede alta tensiónReguladores sincrónicos, como el Max17503, con una función de modo que se puede usar para operar el dispositivo en tres modos de operación seleccionables: PWM, modulación de frecuencia de pulso (PFM) y modo de conducción discontinua (DCM). DCM también elimina la corriente de inductores inversos para mejorar la eficiencia a cargas más bajas, pero no se salta pulsos. Esto hace que DCM sea adecuado para aplicaciones sensibles a la frecuencia.
Resumen
Los reguladores sincrónicos de alto voltaje y alto rendimiento cumplen con las necesidades de automatización industrial para módulos de potencia compactos, eficientes y fáciles de diseñar. Varios factores han contribuido al dilema de la potencia industrial, pero las arquitecturas de reguladores síncronos de alto voltaje que satisfacen todas las necesidades ahora están disponibles. Si bien la selección actual de componentes adecuados es limitada, el rango continúa expandiéndose para cumplir con todos los requisitos de conversión de voltaje DC-DC de un sistema típico, con salidas de energía que van desde unos pocos cientos de miliampers hasta varios amperios. En la Parte 2, discutiremos cómo las nuevas innovaciones en los reguladores sincrónicos están ayudando a resolver el desafío de consumo de energía.