工业自动化电源困境：第 1 部分

技术已将工业自动化系统提升到一个全新的水平，巨型机器和高功率设备被缩小为更小的组件。这提供了设备节省空间的特性以及将更多组件填充到微型系统中。然而，工程是一个总是需要权衡利弊的领域。这项技术给设计师带来了需要解决的新挑战。

工业自动化系统设计提出了独特的挑战。事实上，这是一个相互冲突的需求的故事。引入低成本模块化机架来容纳可编程逻辑控制器 (PLC) 和 I/O 模块等系统组件，给工程师和解决方案带来了严格的空间和热限制。由于需要确保在受灰尘、潮湿和振动影响的恶劣环境中高度可靠地运行，这些挑战变得更加复杂。

此外，客户期望后续几代自动化系统的功能得到增强，并且不会增加功耗、设备尺寸、发热和成本。这种增强的功能通常以电子技术的进步为基础，但往往要付出代价：更严格的功率容差和电压水平的激增，而电压水平必须保持稳定，同时来自不太完美的主电源。

然而，工程师不想花费宝贵的项目时间来设计不被客户注意到并且通常被认为浪费宝贵空间的电源。相反，工程师更喜欢关注那些能够将他的自动化系统与竞争对手明显区分开来的事情。

半导体供应商通过推出将电源的许多关键功能集成在单个设备中的模块来满足工业自动化系统设计人员的相互冲突的需求。然而，设计为由工业自动化系统使用的 12、24 或 48VDC 电源供电运行的模块必须通过电压钳位进行保护，或者使用异步开关技术来承受困扰主电源的电压尖峰。这两种解决方案都会导致电力系统变得更大、更昂贵且效率更低——而这正是系统工程师想要避免的。

本应用笔记是我们的工业控制稳压器系列两部分的第 1 部分。在这里，我们讨论工业控制架构以及使其的电源架构，这是一项设计挑战。在本系列的第 2 部分中，我们将讨论新一代功率器件，这些器件利用与创新芯片设计相结合的硅制造技术。

工业控制架构

虽然 24VDC 已成为大多数工业控制应用（尤其是采用 PLC 的工业控制应用）事实上的电压，但 12VDC 也很常见，通常作为电池备用电压或由光伏等替代能源供电（光伏）面板。近推出的以太网供电 (PoE) 也鼓励工业自动化制造商设计使用该标准规定的 48VDC 电源运行的设备。采用 24VDC 电源的典型工业控制系统如图 1 所示。

该系统包括用于从传感器接收信息或向执行器发送指令的I/O模块、多通道数字输入、多通道模拟输入和输出、通信功能以及通过数字总线连接的处理器(CPU)。PLC 通常提供计算能力。电源由主电源提供，降压至 24VDC，并通过背板分配。

仔细观察系统的电源就会发现，不同系统元件所需的不同电压和电流水平决定了其复杂性。图 2 显示了电源架构的一小部分。120VAC/230VAC 主电源初使用工业电源模块降压至标准 12VDC 或 24VDC 系统背板电源。在系统级，该背板电压进一步降低至各个组件所需的较低电压水平。

例如，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 5V 至 1V 的电压。然而，整个 PLC 可能需要高达 3.5A 的电流。同样，多通道模拟 I/O 模块需要 ±15V 和 5V 电源来为其各种放大器、模数转换器 (ADC) 和电流高达 500mA 的多路复用器 (MUX) 供电。

让事情变得更复杂的是，设计人员需要考虑瞬态电压尖峰（“过压”），瞬态电压尖峰（“过压”）会通过配电网络雷击等事件或共享电源的重负载快速切换而影响主电源。与工业自动化系统相同的电源电路。电压尖峰也可能出现在电源架构本身内，例如，当电源模块将电源电压降低至 12VDC 或 24VDC 时，特别是在使用开关模式类型设备时。

这些过压现象非常常见，国际电化学委员会 (IEC) 等组织建议工程师设计能够承受这些过压的系统。例如，涉及低压（1kVAC 和 1.5kVDC）系统中绝缘协调的 IEC 60664 指出，由市电 24VDC 供电的“II 类”设备（包括用于工业自动化的设备类型）电源的设计应能够承受高达 60V 的过压。

DC-DC 电压调节的基本原理

DC-DC 电压转换（或“调节”）是一项大业务，半导体供应商已投入大量资金来开发适用于所有应用的各种产品。器件分为两类：低压差稳压器 (LDO)，也称为线性稳压器；和开关稳压器。

当仔细匹配应用的工作特性时，与 LDO 相比，开关稳压器在宽输入电压范围内通常效率更高。此外，开关稳压器可以轻松升压（“升压”）、降压（“降压”）和反转电压。（请注意，工业自动化系统电源的某些部分需要电压反转。）相比之下，LDO 只能降压。

与简单易用的 LDO 相比，开关稳压器有一个缺点：稳压器的设计更为复杂。发生这种情况是因为需要输出滤波来衰减高频开关操作产生的电压和电流纹波。这会给敏感芯片带来问题并产生电磁干扰 (EMI)。尽管如此，设计许多当代应用的工程师越来越青睐开关稳压器。

开关稳压器工作的关键是使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为开关器件。当 MOSFET 导通时，电流流向负载和存储能量的外部电感器。当 MOSFET 关断时，电感器将其存储的能量提供给负载。

脉宽调制（PWM）通常用于控制输出电压。频率保持恒定，并调整脉冲宽度（“接通时间”）以提供所需的电压。电压调节器的高频开关限制了系统中的损耗，同时在一定范围的输入和负载下保持相对稳定的电压输出。

在异步拓扑开关稳压器中（图 3），存储在电感器中然后在 MOSFET 关断周期期间传递到负载的能量不会直接流向负载。相反，它通过外部肖特基二极管传输。如果根据预期负载选择电感器，开关稳压器将工作在连续导通模式，从而提供稳定的稳压电压。

此类开关稳压器的终效率主要由两个因素决定：外部肖特基二极管的正向压降和器件的反向漏电流特性。现代器件中的正向压降已接近 0.3V 左右的极限。这听起来不多，但它确实会导致设备持续消耗并降低效率。

用 MOSFET 代替肖特基二极管可以提高效率，因为可以使用先进的制造技术降低晶体管的导通电阻 (RON)，使其正向电压（从而损耗）低于原始二极管。该电路中两个 MOSFET 的操作必须同步，其中一个导通，另一个截止。（见图 4。）

所谓同步调节器的第二个 MOSFET 可以集成到该模块中。除了消除外部肖特基二极管之外，这还简化了电路设计并减少了材料清单 (BOM)。

同步调节器设计的一个副作用是，由于两个 MOSFET 的开关操作，电流在电感器中双向流动（即，使电感器损耗加倍）。这与异步类型中的单方向流进行比较。同步稳压器中的损耗通常很小，但在较低负载下可能会变得更加严重，此时器件的效率可能低于等效的异步类型。

主要半导体供应商已经使用多种技术解决了这个缺陷。例如，Maxim Integrated 推出了一系列高压同步稳压器，如 MAX17503，具有 MODE 功能，可用于以三种可选工作模式操作器件：PWM、脉冲频率调制（PFM）和断续导通模式（DCM）。PWM 用于正常操作。PFM 通过消除反向电感电流和跳过脉冲来提高较低负载下的效率。DCM 还消除了反向电感电流，以在较低负载下提高效率，但不会跳过脉冲。这使得 DCM 适用于频率敏感的应用。

总结

高电压、高输出电流同步稳压器满足工业自动化对紧凑、高效且易于设计的电源模块的需求。造成工业电力困境的因素有很多，但现在已经有了满足所有需求的高压同步稳压器架构。尽管目前合适组件的选择有限，但范围不断扩大，以覆盖典型系统的所有 DC-DC 电压转换要求，功率输出范围从几百毫安到几安培。在第 2 部分中，我们将讨论同步稳压器的新创新如何帮助解决电源困境。