解决可编程逻辑控制器的负载点电源设计挑战

作者：Rich Nowakowski

可编程逻辑控制器（PLC）是一种工业计算系统。它控制装配线和其他工厂自动化设备上的制造过程，这些设备需要高度可靠的控制方法和故障诊断。PLC 系统包括模拟和数字输入和输出模块、通信模块、中央处理器（CPU） 模块、控制模块和电源。PLC 在恶劣、恶劣的制造环境中运行，在设计非隔离负载点电源解决方案时需要特别注意。设计人员必须考虑负载点总线架构、线路电压瞬变、热限制、隔离噪声问题、尺寸限制和处理器电压精度问题。

负载点体系结构注意事项

PLC 受益于 DC/DC 负载点电源解决方案，该解决方案支持高级模拟和数字集成电路的需求，提供高效率和良好的热性能，并减少整体组件数量和成本。负载点策略可能会有所不同，但 PLC 通常具有 24V直流（或偶尔使用 12V直流） 来自电源的输入。然而，线路电压容易受到来自电机或继电器的输入电压瞬变的影响，从而导致电压尖峰过大，从而损坏系统。

在几乎所有情况下，5V和3.3V电源轨都用作来自24V或12V电源的次级稳压轨，为低压子系统供电。在以高于1MHz的频率进行开关的同时，很难调节具有24V输入的1V电源轨，但仍保持较小的外形尺寸。如公式1所示，为了从24V输入调节1V（占空比为4.2%），当开关频率为1MHz时，DC/DC转换器的最小可控导通时间必须低于40ns，以避免噪声脉冲跳跃。

最小可控导通时间 = 占空比 / 开关频率 （1）

线路电压瞬变

线路电压瞬变可能来自系统中的电机和继电器，并导致输入电压线路上的电压尖峰过大。由于PLC用于可能有电机或其他感性负载和回路的工厂车间，因此它们容易受到线路瞬态尖峰的影响。图1显示了一个线路电压瞬变示例，该瞬变可能持续时间较短，但在没有适当保护的情况下会严重损坏PLC内部的电路。

保护或箝位电路（如图2所示）可以保护负载免受电压尖峰的影响。二极管D2设置箝位电压，调整场效应晶体管（FET）使电流流向负载保护。不幸的是，这些电路占用空间并需要额外的组件。实施电子保险丝（如TPS2660系列）还可提供高达 60V 的保护，并且比图 2 中的分立电路更容易实现。电子保险丝还可以提供 DC/DC 转换器通常不提供的输入反向电压保护。集成FET的非隔离式同步降压转换器的额定电压高达100V，以保护下游电路。

热限制和功率预算

PLC通常封闭在机柜中，其中气流受到限制或不可用。在许多情况下，由于灰尘、腐蚀性元素或其他材料限制的存在，无法使用冷却风扇。在过大的热应力下，系统的长期可靠性会降低。

因此，降低负载点电源解决方案的功耗将增加模块的功率预算，并使PLC在市场上独树一帜。额外的可用功率还支持更快的微处理器时钟速度、更精确的数据转换器和额外的内存，以提高竞争对手的性能。

以峰值效率运行 DC/DC 转换器是最大限度地降低 DC/DC 转换器的功率金属氧化物半导体 FET （MOSFET） 的导通和开关损耗的绝佳方法。表1显示了降额至0.5A的2A转换器设计与使用WEBENCH电源设计器的0.5A转换器相比的效率。显然，0.5A 转换器的较小 MOSFET 可实现更小的封装尺寸，而较高的频率允许使用更小的无源元件来实现更小的解决方案尺寸。但是，2A转换器在0.5A下使用时可节省140mW的能量，从而在气流有限或功率预算受限的应用中最大限度地提高效率并改善热性能。

表 1：5V 输入、1.8V 输出、0.5A 比较

图3显示了如何进一步优化2A转换器的效率。曲线拐点处的峰值效率约为93%，约为0.5A，这是开关损耗和传导损耗之间的最佳点。

隔离以提高电气抗扰度

PLC使用数据传输系统，如RS-485，但也可以使用其他通信协议，如Profibus，Profinet或以太网。由于多种非标准化接地技术，远程电源可能会遇到较大的接地电位差，从而导致多个接地路径和环路。接地环路电流可能非常高，因为它们通过低阻抗接线连接不同的接地电位。

通过电气隔离断开接地环路不仅可以防止环路电流，而且是解决高接地电位差的最可靠方法。电流隔离允许从输入侧以地为基准的输入独立于输出侧的接地，从而显著增强共模抑制并改善噪声性能。电路板上有一个与潜在噪声接地“隔离”的区域非常重要，最流行的技术是通过隔离栅实现 5V 输入到 5V 输出。

有几种方法可以使用变压器创建隔离栅。图4所示的推挽式变压器驱动器的工作占空比为50%，因此变压器线圈必须相应地设计以适应特定的输入和输出电压。推挽电路也运行开环，因此没有反馈机制。在某些情况下，次级侧的线性稳压器将提供更好的输出电压调节。

图5所示的反激式降压稳压器也称为非对称半桥，具有与标准降压稳压器相同的传递函数，但使用类似于反激式转换器的变压器。降压稳压器的电感电容使用C1作为输出大容量电容，隔离变压器的初级侧使用T1。输出电压反射到次级侧，由变压器的匝数比得出。R1和R2设置半桥的占空比，从而可以更灵活地选择现成的变压器匝数比以适应输入和输出电压。

飞式降压的频率可通过 RT 引脚进行调节，并可同步至宽开关频率范围。飞降压限制在约2W，因为流过次级侧二极管的高电流会因损耗而限制调节。这两种拓扑都不需要光耦合器。飞降压器集成了初级侧反馈，以实现磁性元件的灵活性。为了获得更高的效率、更大的输出电流和更好的调节精度，飞降转换器是比图4所示的推挽式变压器驱动器更好的选择。

电压调节精度

随着工艺技术的进步，现场可编程门阵列 （FPGA）、微控制器和专用集成电路 （ASIC） 对其内核电源轨要求更高的电压精度和更低的工作电压。处理器的数据手册可以以百分比或毫伏为单位指定电压容差，其中包括整个工作温度范围内的直流、交流和纹波变化。设计人员还必须考虑 DC/DC 转换器使用的电阻分压器的容差;电路板的布线和走线损耗;以及应用的变化，如输入电压变化、温度波动和快速负载变化。这些因素都有助于 DC/DC 转换器的精度。许多设计人员需要裕量或裕量，以确保解决方案始终在处理器的公差预期范围内。新的高级处理器要求在所有条件下内核电压容差在 +/- 3% 以内，这要求 DC/DC 转换器具有非常精确的基准电压。

在数据手册中检查DC/DC转换器的初始反馈电压精度非常重要。表 2 显示了 TPS54218 的稳压反馈电压规格，TPS54218 是一款 2A 转换器，在输入电压和温度变化范围内具有 ±8mV 或 ±1% 的基准精度。选择容差更严格的电阻可提高总输出电压精度。如需更多裕量，请选择 0.1% 或 0.5% 电阻器 [1]，即使它们的成本可能更高一些。通过增加裕量，可以满足总±3%或±5%的输出电压变化，同时减小大容量和旁路电容。

表 2：TPS54218 数据手册中所示的反馈电压调节

将 DC/DC 转换器放置在尽可能靠近负载的位置。布局限制、连接器和电路板密度要求可能会干扰负载的电压精度。具有远程感应功能的 DC/DC 转换器有助于补偿从 DC/DC 转换器到负载的大压降。

解决方案尺寸

为了保持整个DC/DC转换器解决方案的小型化，可以集成或优化任何外部组件。非隔离电源模块因其高集成度和易用性，以及优化电感以占用更少空间的能力而变得越来越流行。与分立式解决方案相比，电源模块通常设计为实现更小的整体解决方案尺寸。当节省电路板空间比总系统效率更重要时，具有高开关频率的电源模块可能是比分立解决方案更好的选择。

表 3 比较了使用 WEBENCH 电源设计器计算相同工作条件下解决方案尺寸和成本的分立式和模块负载点解决方案。电源模块占用的电路板面积不到分立解决方案的一半，但仅增加了解决方案总成本的25%左右，在本例中为0.45美元。证明模块的使用合理性取决于节省空间的重要性，甚至在较低的产量下也可能是经济的。

表 3：分立式与模块解决方案比较

总结

PLC 在恶劣、恶劣的制造环境中运行，在设计负载点电源解决方案时需要特别注意。在创建高性能和可靠的产品时，线路电压瞬变、接地环路电流、热预算和为处理器供电等挑战很容易管理。