解決可編程邏輯控制器的負(fù)載點(diǎn)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

可編程邏輯控制器（PLC）是一種工業(yè)計(jì)算系統(tǒng)。它控制裝配線和其他工廠自動(dòng)化設(shè)備上的制造過(guò)程，這些設(shè)備需要高度可靠的控制方法和故障診斷。PLC 系統(tǒng)包括模擬和數(shù)字輸入和輸出模塊、通信模塊、中央處理器 （CPU） 模塊、控制模塊和電源。PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運(yùn)行，在設(shè)計(jì)非隔離負(fù)載點(diǎn)電源解決方案時(shí)需要特別注意。設(shè)計(jì)人員必須考慮負(fù)載點(diǎn)總線架構(gòu)、線路電壓瞬變、熱限制、隔離噪聲問(wèn)題、尺寸限制和處理器電壓精度問(wèn)題。

負(fù)載點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)注意事項(xiàng)

PLC 受益于 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)電源解決方案，該解決方案支持高級(jí)模擬和數(shù)字集成電路的需求，提供高效率和良好的熱性能，并減少整體組件數(shù)量和成本。負(fù)載點(diǎn)策略可能會(huì)有所不同，但 PLC 通常具有 24V直流（或偶爾使用 12V直流） 來(lái)自電源的輸入。然而，線路電壓容易受到來(lái)自電機(jī)或繼電器的輸入電壓瞬變的影響，從而導(dǎo)致電壓尖峰過(guò)大，從而損壞系統(tǒng)。

在幾乎所有情況下，5V和3.3V電源軌都用作來(lái)自24V或12V電源的次級(jí)穩(wěn)壓軌，為低壓子系統(tǒng)供電。在以高于1MHz的頻率進(jìn)行開關(guān)的同時(shí)，很難調(diào)節(jié)具有24V輸入的1V電源軌，但仍保持較小的外形尺寸。如公式1所示，為了從24V輸入調(diào)節(jié)1V（占空比為4.2%），當(dāng)開關(guān)頻率為1MHz時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的最小可控導(dǎo)通時(shí)間必須低于40ns，以避免噪聲脈沖跳躍。

最小可控導(dǎo)通時(shí)間 = 占空比 / 開關(guān)頻率 （1）

線路電壓瞬變

線路電壓瞬變可能來(lái)自系統(tǒng)中的電機(jī)和繼電器，并導(dǎo)致輸入電壓線路上的電壓尖峰過(guò)大。由于PLC用于可能有電機(jī)或其他感性負(fù)載和回路的工廠車間，因此它們?nèi)菀资艿骄€路瞬態(tài)尖峰的影響。圖1顯示了一個(gè)線路電壓瞬變示例，該瞬變可能持續(xù)時(shí)間較短，但在沒(méi)有適當(dāng)保護(hù)的情況下會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞PLC內(nèi)部的電路。

保護(hù)或箝位電路（如圖2所示）可以保護(hù)負(fù)載免受電壓尖峰的影響。二極管D2設(shè)置箝位電壓，調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）使電流流向負(fù)載保護(hù)。不幸的是，這些電路占用空間并需要額外的組件。實(shí)施電子保險(xiǎn)絲（如TPS2660系列）還可提供高達(dá) 60V 的保護(hù)，并且比圖 2 中的分立電路更容易實(shí)現(xiàn)。電子保險(xiǎn)絲還可以提供 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常不提供的輸入反向電壓保護(hù)。集成FET的非隔離式同步降壓轉(zhuǎn)換器的額定電壓高達(dá)100V，以保護(hù)下游電路。

熱限制和功率預(yù)算

PLC通常封閉在機(jī)柜中，其中氣流受到限制或不可用。在許多情況下，由于灰塵、腐蝕性元素或其他材料限制的存在，無(wú)法使用冷卻風(fēng)扇。在過(guò)大的熱應(yīng)力下，系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性會(huì)降低。

因此，降低負(fù)載點(diǎn)電源解決方案的功耗將增加模塊的功率預(yù)算，并使PLC在市場(chǎng)上獨(dú)樹一幟。額外的可用功率還支持更快的微處理器時(shí)鐘速度、更精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和額外的內(nèi)存，以提高競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的性能。

以峰值效率運(yùn)行 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是最大限度地降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率金屬氧化物半導(dǎo)體 FET （MOSFET） 的導(dǎo)通和開關(guān)損耗的絕佳方法。表1顯示了降額至0.5A的2A轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與使用WEBENCH電源設(shè)計(jì)器的0.5A轉(zhuǎn)換器相比的效率。顯然，0.5A 轉(zhuǎn)換器的較小 MOSFET 可實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸，而較高的頻率允許使用更小的無(wú)源元件來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的解決方案尺寸。但是，2A轉(zhuǎn)換器在0.5A下使用時(shí)可節(jié)省140mW的能量，從而在氣流有限或功率預(yù)算受限的應(yīng)用中最大限度地提高效率并改善熱性能。

表 1：5V 輸入、1.8V 輸出、0.5A 比較

圖3顯示了如何進(jìn)一步優(yōu)化2A轉(zhuǎn)換器的效率。曲線拐點(diǎn)處的峰值效率約為93%，約為0.5A，這是開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間的最佳點(diǎn)。

隔離以提高電氣抗擾度

PLC使用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如RS-485，但也可以使用其他通信協(xié)議，如Profibus，Profinet或以太網(wǎng)。由于多種非標(biāo)準(zhǔn)化接地技術(shù)，遠(yuǎn)程電源可能會(huì)遇到較大的接地電位差，從而導(dǎo)致多個(gè)接地路徑和環(huán)路。接地環(huán)路電流可能非常高，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)低阻抗接線連接不同的接地電位。

通過(guò)電氣隔離斷開接地環(huán)路不僅可以防止環(huán)路電流，而且是解決高接地電位差的最可靠方法。電流隔離允許從輸入側(cè)以地為基準(zhǔn)的輸入獨(dú)立于輸出側(cè)的接地，從而顯著增強(qiáng)共模抑制并改善噪聲性能。電路板上有一個(gè)與潛在噪聲接地“隔離”的區(qū)域非常重要，最流行的技術(shù)是通過(guò)隔離柵實(shí)現(xiàn) 5V 輸入到 5V 輸出。

有幾種方法可以使用變壓器創(chuàng)建隔離柵。圖4所示的推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器的工作占空比為50%，因此變壓器線圈必須相應(yīng)地設(shè)計(jì)以適應(yīng)特定的輸入和輸出電壓。推挽電路也運(yùn)行開環(huán)，因此沒(méi)有反饋機(jī)制。在某些情況下，次級(jí)側(cè)的線性穩(wěn)壓器將提供更好的輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖5所示的反激式降壓穩(wěn)壓器也稱為非對(duì)稱半橋，具有與標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器相同的傳遞函數(shù)，但使用類似于反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器。降壓穩(wěn)壓器的電感電容使用C1作為輸出大容量電容，隔離變壓器的初級(jí)側(cè)使用T1。輸出電壓反射到次級(jí)側(cè)，由變壓器的匝數(shù)比得出。R1和R2設(shè)置半橋的占空比，從而可以更靈活地選擇現(xiàn)成的變壓器匝數(shù)比以適應(yīng)輸入和輸出電壓。

飛式降壓的頻率可通過(guò) RT 引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可同步至寬開關(guān)頻率范圍。飛降壓限制在約2W，因?yàn)榱鬟^(guò)次級(jí)側(cè)二極管的高電流會(huì)因損耗而限制調(diào)節(jié)。這兩種拓?fù)涠疾恍枰?a href="http://srfitnesspt.com/yuanqijian/guangou/" target="_blank">光耦合器。飛降壓器集成了初級(jí)側(cè)反饋，以實(shí)現(xiàn)磁性元件的靈活性。為了獲得更高的效率、更大的輸出電流和更好的調(diào)節(jié)精度，飛降轉(zhuǎn)換器是比圖4所示的推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器更好的選擇。

電壓調(diào)節(jié)精度

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA）、微控制器和專用集成電路 （ASIC） 對(duì)其內(nèi)核電源軌要求更高的電壓精度和更低的工作電壓。處理器的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以以百分比或毫伏為單位指定電壓容差，其中包括整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的直流、交流和紋波變化。設(shè)計(jì)人員還必須考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用的電阻分壓器的容差;電路板的布線和走線損耗;以及應(yīng)用的變化，如輸入電壓變化、溫度波動(dòng)和快速負(fù)載變化。這些因素都有助于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的精度。許多設(shè)計(jì)人員需要裕量或裕量，以確保解決方案始終在處理器的公差預(yù)期范圍內(nèi)。新的高級(jí)處理器要求在所有條件下內(nèi)核電壓容差在 +/- 3% 以內(nèi)，這要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有非常精確的基準(zhǔn)電壓。

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中檢查DC/DC轉(zhuǎn)換器的初始反饋電壓精度非常重要。表 2 顯示了 TPS54218 的穩(wěn)壓反饋電壓規(guī)格，TPS54218 是一款 2A 轉(zhuǎn)換器，在輸入電壓和溫度變化范圍內(nèi)具有 ±8mV 或 ±1% 的基準(zhǔn)精度。選擇容差更嚴(yán)格的電阻可提高總輸出電壓精度。如需更多裕量，請(qǐng)選擇 0.1% 或 0.5% 電阻器 [1]，即使它們的成本可能更高一些。通過(guò)增加裕量，可以滿足總±3%或±5%的輸出電壓變化，同時(shí)減小大容量和旁路電容。

表 2：TPS54218 數(shù)據(jù)手冊(cè)中所示的反饋電壓調(diào)節(jié)

將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器放置在盡可能靠近負(fù)載的位置。布局限制、連接器和電路板密度要求可能會(huì)干擾負(fù)載的電壓精度。具有遠(yuǎn)程感應(yīng)功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有助于補(bǔ)償從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到負(fù)載的大壓降。

解決方案尺寸

為了保持整個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案的小型化，可以集成或優(yōu)化任何外部組件。非隔離電源模塊因其高集成度和易用性，以及優(yōu)化電感以占用更少空間的能力而變得越來(lái)越流行。與分立式解決方案相比，電源模塊通常設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)更小的整體解決方案尺寸。當(dāng)節(jié)省電路板空間比總系統(tǒng)效率更重要時(shí)，具有高開關(guān)頻率的電源模塊可能是比分立解決方案更好的選擇。

表 3 比較了使用 WEBENCH 電源設(shè)計(jì)器計(jì)算相同工作條件下解決方案尺寸和成本的分立式和模塊負(fù)載點(diǎn)解決方案。電源模塊占用的電路板面積不到分立解決方案的一半，但僅增加了解決方案總成本的25%左右，在本例中為0.45美元。證明模塊的使用合理性取決于節(jié)省空間的重要性，甚至在較低的產(chǎn)量下也可能是經(jīng)濟(jì)的。

表 3：分立式與模塊解決方案比較

總結(jié)

PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運(yùn)行，在設(shè)計(jì)負(fù)載點(diǎn)電源解決方案時(shí)需要特別注意。在創(chuàng)建高性能和可靠的產(chǎn)品時(shí)，線路電壓瞬變、接地環(huán)路電流、熱預(yù)算和為處理器供電等挑戰(zhàn)很容易管理。