ПЛК: особенности организации электропитания

25 июня

управление питаниемавтоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниясредства разработки и материалы

Продолжаем серию статей о программируемых логических контроллерах. Организация их электропитания – всегда компромисс между довольно разнородными требованиями к параметрам питающих токов и напряжений. Какие интегральные решения предлагает для этого Texas Instruments?

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых статей на тему ПЛК

Программируемый логический контроллер (ПЛК) – промышленный микрокомпьютер, аппаратно объединяющий в себе разнородные системы, такие как центральный вычислитель, модули аналогового и дискретного ввода/вывода, коммуникационные модули. Система питания ПЛК, в свою очередь, обязана обеспечить корректным и надежным электропитанием имеющиеся на борту электронные модули, такие как микроконтроллер, ПЛИС, микросхемы памяти, аналоговые интерфейсы и прочее. На многообразие требований к питанию разнотипных микросхем и модулей накладываются жесткие требования по климатическому исполнению проектируемого устройства и, зачастую, низкое качество внешнего питания, имеющегося в реальных производственных условиях. Нельзя также забывать про размеры прибора, сильно зависящие от зачастую достаточно габаритных компонентов, применяемых в цепях питания, и об ограничении электромагнитных помех, эмитируемых DC/DC-преобразователем в питающую сеть. 

Общая архитектура системы питания ПЛК

Давайте в качестве наглядного примера рассмотрим ПЛК с питающим напряжением 24 В и достаточно типичной начинкой, состоящей из входных высокоточных аналоговых цепей, вычислительного ядра на базе микроконтроллера/ПЛИС и GSM-/GPRS-модема, передающего измеренные данные на верхний уровень. Каждый из упомянутых блоков требует своего, несколько специфичного питания.

Так, входным аналоговым цепям (AFE) и АЦП (ADC) требуется стабильное питание с низким уровнем шумов, но небольшой ток. GSM-/GPRS-модему большую часть времени требуется небольшой ток, он не особо требователен к стабильности напряжения, но периодически, в режиме передачи, потребляемый ток резко возрастает и может возникнуть проблема просадки питающего напряжения, способная привести к перезагрузке модема (более подробно этот вопрос описан в другой статье – «“Point Of Load”-преобразователи – уникальные решения для эффективного управления питанием»). И, наконец, микроконтроллеры и ПЛИС основного вычислителя предъявляют относительно мягкие требования как к стабильности питающего напряжения, так и к потребляемому току, но с ними есть одна загвоздка – микроконтроллеры, микросхемы памяти и ПЛИС последних поколений работают от еще более низких питающих напряжений.

Даже при использовании питающих напряжений 5 и 3,3 В, которые еще можно было напрямую получить от первичного DC/DC-преобразователя, очень часто использовались дополнительные вторичные преобразователи. Теперь же, с учетом двух взаимно дополняющих факторов, таких как снижение питающего напряжения и рост рабочей частоты DC/DC-преобразователей, применение вторичного преобразователя становится практически неизбежным.

Давайте посчитаем: при использовании DC/DC-преобразователя со входным напряжением 24 В, выходным 1 В и рабочей частоте преобразователя 1 МГц коэффициент заполнения равен 1/24, а время, в течении которого преобразователь будет открыт на протяжении каждого цикла, равно всего (1/24) × (1/1000000) = 42 нс. 

Защита от перенапряжений

Перенапряжения на линиях питания ПЛК являются частым следствием коммутации мощных индуктивных нагрузок, таких как реле, пускатели или электрические двигатели. Второй распространенной причиной появления перенапряжений при работе в реальных производственных условиях являются длинные проводники питания, проложенные в условиях сильного электромагнитного загрязнения. Зачастую линии питания ПЛК и сторонних мощных нагрузок проложены физически близко, в одних лотках.

На рисунке 1 показан пример импульса перенапряжения длительностью несколько десятков наносекунд, который хотя и выглядит достаточно коротким и безопасным, способен, тем не менее, нанести значительный ущерб схеме, не предусматривающей должной защиты от такого вида помех.

Рис. 1. Пример импульса перенапряжения наносекундной длительности

Рис. 1. Пример импульса перенапряжения наносекундной длительности

Компания Texas Instruments (TI) в руководстве «Электропитание ПЛК на базе импульсных преобразователей» («Step-Down (Buck) Converter Power Solutions for Programmable Logic Controller Systems») предлагает вариант защитной схемы, показанный на рисунке 2.

Рис. 2. Пример защитной схемы

Рис. 2. Пример защитной схемы

Транзистор SUD19P06-60L используется в качестве ключа, отключающего нагрузку при превышении питающего напряжения, стабилитрон D2 задает напряжение срабатывания схемы. Легко заметить, что схема довольно объемная и потребует дополнительного места на печатной плате.

К счастью, по мере совершенствования технологии изготовления полупроводников на рынке появляются импульсные преобразователи, рассчитанные на все более высокое входное напряжение, так что надобность в таких сложных схемах входной защиты может со временем отпасть. Разумеется, при равных токах нагрузки и сопротивлениях используемых MOSFET-транзисторов преобразователь, рассчитанный на максимальное входное напряжение в 28 В дешевле преобразователя, работоспособного вплоть до 60 В. Но экономия места и повышение надежности оправдывают рост цены. Вместо самостоятельного конструирования защитных цепей вы можете просто использовать высоковольтный преобразователь. Так, в настоящее время доступны неизолированные синхронные понижающие преобразователи со встроенными полевыми транзисторами и входным напряжением вплоть до 100 В. 

Тепловые ограничения

При работе в жестких производственных условиях ПЛК в основном монтируются в шкафах и стойках, внутри которых поток воздуха или резко ограничен, или отсутствует вовсе. При использовании взрывозащищенных корпусов ситуация еще более ухудшается – представьте себе полностью герметичный алюминиевый сейф, висящий на полуденном солнцепеке. Даже при отсутствии жестких ограничений по искробезопасности использование вентиляции не всегда приемлемо, например, из-за пыли, коррозионных агентов, присутствующих в воздухе или просто из-за того, что решение с принудительной вентиляцией не соответствует бюджету разрабатываемой системы.

Всем интегральным схемам свойственно выделение тепла при работе, но тепловыделение модулей питания часто занимает ведущую позицию в общем тепловом бюджете устройства, поэтому так важно выбрать высокоэффективное энергетическое решение для минимизации нагрева.

В большинстве случаев дополнительный нагрев ухудшает все аспекты функционирования электронного устройства. Долговременная надежность прибора падает, точность аналоговых цепей ухудшается, разработчику приходится снижать тактовые частоты микроконтроллеров и ПЛИС. ПЛК, использующий более эффективные схемы питания, не просто потребляет меньше энергии. Увеличение КПД блока питания в результате выливается во вполне осязаемые конкурентные преимущества – увеличенную тактовую частоту процессора, рост точности АЦП, возможность использования дополнительных микросхем, увеличение надежности.

Проектирование приборов для экстремальных производственных условий может потребовать нестандартных решений. Так, при выборе преобразователя для построения системы питания ПЛК TI рекомендует ориентироваться не на температуру окружающего воздуха, а на указанные в документации предельно допустимые температуры кристалла. В настоящее время доступны микросхемы с допустимой температурой кристалла до 150°C, что позволяет расширить температурные рамки эксплуатации устройства. При поиске решений на сайте TI параметр «допустимая температура кристалла» доступен для включения в параметры фильтра, что позволяет выбирать преобразователи с высокой рабочей температурой.

Применение новых мощных MOSFET-транзисторов с меньшим сопротивлением канала и меньшими потерями на переключение – отличный способ выжать максимальный КПД из DC/DC-преобразователя. В таблице 1 приведено сравнение двух MOSFET-транзисторов. Были рассчитаны КПД двух схем импульсных преобразователей на ток 0,5 А, спроектированных в программе Webench, на базе TPS62231 и TPS54218 со входным напряжением 5 В и выходным 1,8 В. Из приведенных цифр очевидно, что транзистор TPS62231, рассчитанный на большую частоту, позволяет использовать компоненты меньших размеров и минимизировать размер печатной платы. С другой стороны понятно, что схема на TPS54218, хотя и требует больше пространства, экономит 140 мВт рассеиваемой мощности, повышая КПД и улучшая энергетические характеристики решений без принудительной вентиляции или с ограниченным энергопотреблением.

Таблица 1. Сравнение решений на базе TPS54218 и TPS62231

Наименование КПД, % Pd, Вт Rds(on), мОм Частота, МГц Площадь, мм2
TPS54218 87 0,13 20 1,125 122
TPS62231 80 0,27 350 3 23

Схемотехнической оптимизацией можно дополнительно увеличить КПД схемы на базе TPS54218. На рисунке 3 показано, что в точке оптимального баланса потерь на переключение и потерь на открытом ключе достижим уровень КПД вплоть до 93%.

Рис. 3. КПД схемы на базе TPS54218

Рис. 3. КПД схемы на базе TPS54218

Использование изоляции для подавления шумов

ПЛК используют для передачи данных такие интерфейсы как RS-485 или Ethernet. Удаленные узлы коммуникационной сети могут использовать питание, гальванически не связанное с местным питанием ПЛК. В отсутствие качественного заземления в длинных заземляющих проводах и петлях в цепи заземления между ПЛК и удаленным узлом связи может наблюдаться значительная разница нулевых потенциалов. При непосредственном соединении двух разнесенных коммуникационных схем может возникнуть ситуация, в которой проводник, имеющий небольшое сопротивление, соединяет две точки со значительной разницей в потенциалах, что приводит к протеканию большого выравнивающего тока. Такой переток способен вызвать ошибки в передаваемых сообщениях и даже полное блокирование связи.

Разрыв прямого соединения двух удаленных коммуникационных точек при помощи гальванической изоляции не только устраняет перетоки, но и вообще служит самым надежным методом решения проблемы большой разницы земляных потенциалов. Гальваническая изоляция позволяет сигналу отвязаться от удаленного общего провода, что значительно улучшает шумовые характеристики и решает проблему с ослаблением синфазного сигнала.

Важно, чтобы основное пространство печатной платы было изолировано от потенциально шумных земель внешних интерфейсов. Наиболее распространенным решением является применение изолированных DC/DC-преобразователей с входным и выходным напряжением 5 В.

Вот несколько схемотехнических решений, которые можно применить при создании изолирующего барьера на базе трансформатора.

Двухтактный драйвер на базе SN6505 на рисунке 4 работает с коэффициентом заполнения 50%, поэтому конструкция трансформатора должна быть рассчитана с учетом входного и выходного напряжений. Такая схема работает без обратной связи и часто требует дополнительного линейного стабилизатора. SN6505 – двухтактный драйвер с низким уровнем шума. У микросхемы всего 6 выводов, она рассчитана на минимальное количество внешних компонентов. Микросхема может работать на частоте 140 или 400 кГц либо может быть затактирована он внешнего источника. Из особенностей чипа стоит отметить встроенную схему расширения спектра электромагнитного излучения (spread spectrum) для уменьшения уровня ЭМИ.

Рис. 4. Вариант двухтактного драйвера на SN6505

Рис. 4. Вариант двухтактного драйвера на SN6505

Обратноходовой преобразователь, также известный как асимметричный полумост, показан на рисунке 5. Он работает на базе многообмоточного накопительного дросселя (который, как правило, называют просто трансформатором), роднящего такую схему с обычным понижающим импульсным преобразователем.

Рис. 5. Вариант обратноходового преобразователя на TPS55010

Рис. 5. Вариант обратноходового преобразователя на TPS55010

LC-цепочка, присутствующая в понижающем преобразователе, в данном случае реализована на конденсаторе C1 и первичной обмотке трансформатора T1. Напряжение на вторичной обмотке определяется соотношением витков T1, резисторы R1 и R2 задают скважность импульсов полумоста, что добавляет гибкости в случае использования серийно выпускаемого трансформатора. Не забывайте также, что рабочая частота преобразователя может быть задана внешней синхронизацией или скорректирована при помощи вывода RT микросхемы TPS55010. Такая схема не требует оптрона обратной связи и рекомендована для мощности не более 2 Вт. В противном случае потери в диоде на вторичной стороне становятся слишком высокими.

Вообще TPS55010 — достаточно оптимальный вариант низковольтного обратноходового преобразователя. Микросхема более эффективна, чем двухтактный драйвер, обладает низким Rds(on) и реализует стабилизацию по первичной стороне. Тактовая частота (0,1…2 МГц) может быть подана извне или задана локально. TI даже предоставляет специальное программное обеспечение – TPS55010 Design calculator, предназначенное для облегчения расчетов разных режимов работы и выбора номиналов внешних компонентов. 

Размер решения

Один из вариантов уменьшения габаритов системы питания ПЛК – уменьшение размеров внешних компонентов DC/DC-преобразователей. Другой вариант – интегрирование внешних компонентов на основной кристалл преобразователя. Возможен, разумеется, и комплексный подход, когда схемотехника преобразователя меняется с расчетом на более компактную элементную базу, а затем эти элементы интегрируются внутрь чипа.

Нужно отметить, что в последние годы наблюдается рост популярности неизолированных импульсных преобразователей. Благодаря простоте применения и компактности разработчики все чаще ставят такие преобразователи на замену линейным стабилизаторам.

Читатели схемотехнических журналов последних двух десятилетий XX века, будь то любительский «Радио» или профессиональный «Силовая преобразовательная техника», наверняка помнят, какие горячие дискуссии разворачивались в то время вокруг схемотехники линейных стабилизаторов, как тяжело было найти баланс между отдельными параметрами схемы, даже если она была настолько велика, что занимала целый журнальный разворот. Прогресс не стоял на месте, разработчики микросхем перенесли все схемотехнические премудрости внутрь чипа, и теперь разработчику достаточно лишь заглянуть в каталог готовых микросхем, чтобы выбрать решение на свой вкус – с низкими шумами, с микроскопическим потребляемым током или выдерживающее высокое входное напряжение.

Затем, в начале XXI века, схемотехническая гонка переключилась на импульсные преобразователи. История повторилась: результатом вновь стал каталог готовых недорогих микросхем, рост частот и токов, качественное улучшение параметров и уменьшение размеров, снижение требований к качеству трассировки.

Сейчас мы наблюдаем третью волну, когда импульсный преобразователь интегрируется с внешними элементами для еще большего упрощения схемотехники и минимизации занимаемого объема. Пришло то время, когда можно использовать готовый DC/DC-преобразователь с интегрированными силовыми транзисторами и катушкой индуктивности, которому для полноценной работы необходима только пара внешних фильтрующих конденсаторов и два резистора для программирования выходного напряжения. У такого решения, кроме само собой разумеющихся снижения размеров и упрощения расчета и выбора внешних компонентов, можно отметить и другие положительные стороны, такие как ускорение процесса разработки (то самое «time to market», которым любят оперировать считающие деньги зарубежные разработчики), упрощение трассировки, соответствие стандартам по эмиссии ЭМИ, предсказуемые результаты вибрационных испытаний, гарантия работоспособности на большом выходном токе, при высоких температурах и в отсутствие принудительной вентиляции. 

Преимущества интегрированных модулей

Взвесим преимущества и недостатки решения на базе дискретных компонентов и интегрированного силового модуля. У TI есть на эту тему отдельный документ, «Сравнение характеристик интегрированных силовых модулей и схем на основе дискретных компонентов» (“Step-Down (Buck) Converter Power Solutions for Programmable Logic Controller Systems“). Желающие могут ознакомиться с темой более подробно, мы же упомянем основные преимущества интегрированных модулей. Взяв для более предметного разговора новинки от TI – серии LMZM2360x и более мощные LMZM3360x, мы увидим следующее:

  • LMZM23600/601 очень сильно экономят место на плате. Для работы версии с фиксированным напряжением необходимы только два внешних керамических конденсатора (10 мкФ, 50 В и 47 мкФ, 16 В), для версии с регулируемым напряжением понадобятся еще два резистора типоразмера 0402. Модули со всей обвязкой занимают не только на 58% меньше пространства, чем аналогичный по характеристикам преобразователь, выполненный на базе дискретных компонентов, но даже на 45% меньше, чем схема на ближайшем аналоге от конкурентов. Готовое решение со всей внешней обвязкой займет на печатной плате всего 27 мм2. LMZM33602/LMZM33603 тоже не отстают, они поставляются в корпусах с размерами на 36% меньше, чем предыдущее поколение интегрированных преобразователей LMZ35003 и LMZ34202.
  • Модули соответствуют стандартам на эмиссию ЭМИ. LMZM2360x соответствует ограничениям CISPR11 (международный стандарт, аналог европейского EN55011) Class A и Class B, LMZM3360x соответствуют EN55011 Class A и Class B. Для минимизации ЭМИ разработчику стоит придерживаться примеров трассировки, показанных в документации, и изучить демонстрационные платы для обеих серий.
  • Обе линейки модулей – и LMZM2360x, и LMZM3360x, – позволяют переключать режимы работы между ШИМ (forced PWM mode, помогает редуцировать шумы выходного напряжения и минимизирует уровень эмиссии ЭМИ) и ЧИМ (PFM, полезен для достижения максимального КПД).
  • Модули LMZM3360x соответствуют требованиям Mil-STD-883D по устойчивости к вибрации и ударным нагрузкам.
  • У интегрированных модулей существенно снижены стоимость монтажа и вероятность монтажных ошибок.
  • Все модули серии LMZM используют трехмерную компоновку внутренних элементов для минимизации длины проводников и экранированные индуктивности для уменьшения шумов. Например, автор упомянутого выше «Сравнения схем…» отмечает примерно вдвое уменьшившиеся нестабильность выходного напряжения и выходные шумы. 

LMZM2360X и LMZM3360X

Модули LMZM23600 и LMZM23601 имеют один выход, поставляются в 10-контактных корпусах MicroSIP с теплоотводящей площадкой и размерами 3,8х3,0х1,6 мм. Представлены версии с фиксированными выходными напряжениями 3,3 и 5 В, а также с регулируемым выходом. Среди особенностей модулей можно отметить прогнозируемую эмиссию ЭМИ, возможность внешней синхронизации, наличие выводов Enable и Power Good. Основные параметры модулей LMZM2360X сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Параметры модулей серии LMZM2360X

Параметр LMZM23600 LMZM23601
Iout_max, А 0,5 1
Vin_min, В 4 4
Vin_max, В 36 36
Vout_min, В 2,5 2,5
Vout_max, В 15 15
Iq_typ, мкА 6.5 6,5
Fmin, кГц 675 675
Ftyp, кГц 750 1000
Fmax, кГц 1090 1100
Коэфф. заполнения макс, % 97 97

Модули LMZM33602, LMZM33603, LMZM33604 и LMZM33606 имеют один выход, поставляются в корпусах B2QFN с разным количеством выводов. У модулей LMZM33604 и LMZM33606 есть две дополнительные полезные функции, отсутствующие у остальных представителей линеек LMZM2360x и LMZM3360x – программируемый мягкий старт и трекинг.

Программируемый мягкий старт позволяет задать продолжительность запуска модуля при помощи внешнего конденсатора.

Трекинг позволяет запускать преобразователь еще более плавно, подавая на специальный вывод медленно нарастающее входное напряжение, которое будет зеркально повторено на выходе модуля. Это хорошая возможность для проектирования схемы, плавно запускаемой внешним микроконтроллером с ЦАП и АЦП. При помощи трекинга, плавно наращивая напряжение на выходе модуля и отслеживая ток потребления, можно либо планово запустить силовую подсистему ПЛК, либо реализовать процедуру аварийного отключения. Основные параметры модулей LMZM3360x сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Параметры модулей серии LMZM3360x

Наименование LMZM33602 LMZM33603 LMZM33604 LMZM33606
Iout_max, А 2 3 4 6
Vin_min, В 4 4 3.5 3.5
Vin_max, В 36 36 36 36
Vout_min, В 1 1 1 1
Vout_max, В 18 18 20 20
Iq_typ 8.5 мА 8.5 мА 21 мкА 21 мкА
Fmin, кГц 200 220 350 350
Ftyp, кГц 400 400 500 500
Fmax, кГц 1200 1200 2200 2200
Коэфф. заполнения макс, % 90 90 90 90
Корпус B2QFN,
18 выводов
B2QFN,
18 выводов
B2QFN,
41 вывод
B2QFN,
41 вывод
Размеры корпуса, мм/площадь корпуса, мм2 7х9/63 7х9/63 10х16/160 10х16/160
Мягкий старт Фиксированный Фиксированный Настраиваемый Настраиваемый
Особенности Прогнозируемая эмиссия ЭМИ, возможность внешней синхронизации, наличие выводов Enable и Power Good Прогнозируемая эмиссия ЭМИ, возможность внешней синхронизации, наличие выводов Enable и Power Good Прогнозируемая эмиссия ЭМИ, возможность внешней синхронизации, наличие выводов Enable и Power Good, переключение ЧИМ/ШИМ, трекинг Прогнозируемая эмиссия ЭМИ, возможность внешней синхронизации, наличие выводов Enable и Power Good, переключение ЧИМ/ШИМ, трекинг

Заключение

Эволюция интегрированных силовых модулей длится уже много лет. В начале века компания TI выпускала устройства типа «Open frame» – небольшие печатные платы, занимавшие на основной плате устройства довольно много места (например, 900 мм2 для шестиамперного PTN78020W). Потом появились преобразователи в корпусах типа TO-PMOD и SIP (например, LMZ12001 и TPSM84212), и, наконец, сейчас им на смену пришло новое поколение модулей, рассмотренных в этой статье – LMZM2360x и LMZM3360x в миниатюрных корпусах MicroSiP и QFN.

Демонстрируя новые границы миниатюризации, эффективности и функциональности, последние разработки Texas Instruments предлагают разработчикам возможность создания сбалансированных и энергоэффективных решений нового поколения, позволяющих корректно сочетать все множество требований, предъявляемых к современным схемам питания.

Литература

  1. «Step-Down (Buck) converter power solutions for programmable logic controller systems». TI Application ReportSLVAE36.
  2. «Comparing the merits of integrated power modules versus discrete regulators». TI reference design SNVA635B.
  3. «User’s guide for the LMZM23601 and LMZM23600 evaluation boards». TI user’s guide SNVU578A.
  4. «LMZM33603 and LMZM33602 EVM User’s Guide».TI user’s guideSNVU565.
  5. Документация на микросхемы LMZM23600, LMZM23601, LMZM33602, LMZM33603, LMZM33604, LMZM33606.

    Список ранее опубликованных глав

      1. Виктор Чистяков. Введение в ПЛК: что такое программируемый логический контроллер.
      2. Святослав Зубарев. ПЛК: дискретные входы/выходы.
      3. Плескацевич. Входные/выходные дискретные сигналы в электроэнергетике: принципы, модули и микросхемы.
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
TPS62231DRYT (TI)
TPS622310DRYR (TI)
TPS54218RTER (TI)
TPS54218RTET (TI)
SN6505ADBVT (TI)
SN6505BDBVT (TI)
TPS55010RTET (TI)
TPS55010EVM-009 (TI)
LMZM23600SILT (TI)
LMZM23600V5EVM (TI)
LMZM33602RLRR (TI)
LMZM33604RLXR (TI)
LMZ35003RKGT (TI)
LMZ35003EVM-001 (TI)
LMZ34202RVQR (TI)
LMZ34202RVQT (TI)
PTN78020WAH (TI)
PTN78020WAS (TI)
LMZ12001TZE-ADJ/NOPB (TI)
LMZ12001EVAL (TI)