Uyarlanabilir yük ayarı ve dinamik güç kontrolü, analog çıkışın verimli ısı dağılımı tasarımını gerçekleştirir
Uyarlanabilir yük ayarı ve dinamik güç kontrolü, analog çıkışın verimli ısı dağılımı tasarımını gerçekleştirir
Tarih: 2020-03-09
Kaynak: Analog Devices
Günümüzün tipik programlanabilir mantık denetleyicisi (PLC), endüstriyel ve üretim süreçlerini kontrol etmek ve izlemek için birçok analog ve dijital çıktı içerir. Modülerlik yaygın olarak benimsenmiştir ve giriş ve çıkış (I / O) açısından analog I / O ve dijital I / O'nun temel işlevlerini kapsar. Analog çıkış, birçok farklı yük koşulu altında yüksek hassasiyetli aktif sürücü ayarlarının sağlanması gerektiğinden özel bir zorluk teşkil eder (Şekil 1'de gösterildiği gibi). Aktif sürücü aşaması şu anda özellikle önemli hale geliyor; kayıplar olabildiğince küçük olmalıdır.
Dikkate alınması gereken faktörler aşağıdaki gibidir:
· Bağlı yük
· İzin verilen maksimum ortam sıcaklığı ve dahili modül sıcaklığı
· Kanal sayısı ve modül boyutu
· Elektriksel izolasyon arayüzü
· Doğruluk
Proses otomasyonunda, genellikle her bir çıkış kanalı arasında elektriksel izolasyon sağlamak gerekir. Ek olarak, kanal bazlı teşhis veya HART sinyalleri için destek gibi başka gereksinimler de vardır. Sağlamlık ve hata toleransı da gerekli koşullardır.
Şekil 1. İzole analog çıkış sisteminin blok şeması.
Yarı iletkenlerin gelişimi ve karışık sinyal teknolojisinin sürekli iyileştirilmesi nedeniyle, yüksek entegrasyon yoğunluğuna sahip ultra küçük devreler mümkün hale gelir. Analog çıkış kanalının işlevi, IC'ye tamamen entegre edilebilir. Bu nedenle, AD5758, DAC ve sürücünün temel işlevlerinin yanı sıra teşhis için ADC, akıllı güç yönetimi, voltaj referansı ve 5 mm × 5 mm'lik bir paket boyutunda ters ve aşmaya karşı koruma gibi diğer birçok analog ve mantık işlevini entegre eder. Gerilim arıza anahtarı, veri kalibrasyon kaydı ve SPI iletişim arayüzü.
AD5758 (Şekil 2), otomasyonda kullanılan tüm yaygın çıkış aralıklarını kapsar: tek kutuplu 0 V ila 10 V / 0 mA ila 20 mA, bipolar ± 10 V / ± 20 mA ve tüm alt aralıklar (örneğin, Proses otomasyonu için 4 mA ila 20 mA). Her bir ayar,% 20'lik bir aralık aralığı sağlar. Bu değerlerin çıktısı 16 bit çözünürlük kullanır.
Şekil 2. AD5758'in işlevsel blok şeması.
Güç kaybı büyük ölçüde azaltılır
AD5758'i sıcaklık ve alan kısıtlı uygulamalar için özellikle uygun kılan özellikler nelerdir? Kayıplar esas olarak DC-DC dönüştürücü ve çıkış sürücü aşamasında güç kaynağı bölümünde meydana gelir. Akıllı güç yönetiminin devreye girdiği yer burasıdır. AD5758, uyarlamalı yük düzenleme veya dinamik güç kontrolü (DPC) işlevine sahiptir. DPC, akım çıkış modunda etkinleştirilir ve belirli bir yükü sürmek için gerekli olan sürücü aşamasındaki voltajı kontrol eder. Çalışma koşullarına göre, akım çıkışının yük voltajı (I × RLOAD), güç kaynağı voltajının yalnızca küçük bir bölümünü oluşturur. Güç kaynağı voltaj farkı, önceden seri transistörler aracılığıyla güç kaybı şeklinde dağıtılmalıdır. DPC artık kayıpları en aza indirmek için sürücü voltajını gereken gerçek yük voltajından birkaç volt daha yüksek olacak şekilde düzenler (çıkış transistörü için marjı ayırarak). Sadece bir anahtarlama regülatörü kullanılarak voltaj bu şekilde etkin bir şekilde düzenlenebilir ve bu cihaz AD5758'e entegre edilmiştir ve yüke göre otomatik olarak kontrol edilebilir. Anahtarlama regülatörü ve yukarı akış güç kaynağındaki ek kayıplarda bile, genel güç kaybı azalması, özellikle küçük yük dirençleri için hala çok önemlidir (bkz. Tablo 1). Bu, önce küçük bir boyut tasarlamayı mümkün kılar ve devre kartı da iyi bir ısı dağılımı sağlayabilir.
Tablo 1. Çıkış akımı I = 20 mA ve sabit güç kaynağı voltajı 24 V olduğunda teorik kayıp (DC-DC'nin dahili güç tüketimi ve verimliliği dikkate alınmadan)
Değer kaybı için katı sınırlar belirleyin
Azaltma, güç yarı iletkenlerindeki güvenli çalışma alanına (SOA) benzer şekilde, belirli sınır koşulları altında performans düşüşü olarak tanımlanır. Yukarıda belirtilen güç kaybı ve ilgili soğutma sorunları nedeniyle, DPC kullanmayan çıkış modülleri daha katı termal kısıtlamalara tabidir. Günümüzde kredi kartı boyutundaki bir modülde iki veya dört kanal olması yaygındır. Genellikle modülün nominal ortam sıcaklığı 60 ° C'ye kadardır. Bununla birlikte, bu çevresel koşullar altında, dört kanalın tümü çok küçük yükleri sürdüremez, çünkü DPC'siz dört kanalda, modüldeki güç kaybı 3 W'a ulaşacak ve üretilen ısı, bileşenlerin hızlı bir şekilde ulaşmasını sağlayacaktır. Limit değeri. Termal değer kaybı yoluyla (Şekil 3), modül üreticileri daha yüksek ortam sıcaklıklarında mevcut dört kanaldan yalnızca birini veya ikisini kullanabilir, bu da kullanılabilirliği ve kanal maliyeti performansını büyük ölçüde azaltır.
Şekil 3. Tipik değer kaybı eğrisi.
AD5758 uyarlanabilir bir ayarlama fonksiyonuna sahip olduğu için, güç kaybı sadece çok düşük oranda yük direncine bağlıdır. 0 k 0 ile 1 k arası bir yük için, güç kaybı her zaman 250 mW altında tutulur (Tablo 2). Bu nedenle, çıkış modülünün tasarımına göre, sekiz izole kanal gerçekleştirilebilir ve genel güç kaybı < 2 W. 5 mm × 5 mm LFCSP paketinin birleşimden ortama termal direnci JA 46 K / W ve sıcaklık artışı 200 mW güç kaybında 10 ° C'den azdır. AD5758, 115 ° C'ye kadar ortam sıcaklığı için derecelendirilmiştir. Bu, çok kanallı modül için değer kaybı olmaksızın büyük bir marj sağlar.
Tablo 2. I = 20 mA ve güç kaynağı = 24 V olduğunda DPC çalışma modunda güç ölçüm değerleri
Güç optimizasyonu
Güç kaynağı voltajının farklı gereksinimleri vardır:
Mantık gerilimi: Sürücü güç kaynağına ek olarak (çalışma modu tek kutuplu veya iki kutupluya bağlıdır), AD5758 çıkış IC'si ayrıca dahili modüllere güç sağlamak için 3,3 V mantık gerilimi gerektirir. Bu, çip üzerinde bir LDO regülatörü kullanılarak üretilebilir; ancak, verimliliği artırmak ve güç kaybını azaltmak için, bir anahtarlama regülatörü önerilir.
· İzole edilmiş sürücü güç kaynağı: Güvenlik nedenleriyle, PLC veri yolu ve G / Ç modülleri arasında her zaman elektriksel yalıtım korunur. Şekil 1, mantık (veri yolu) ucundan, güç kaynağından ve alan ucundan çıkan üç farklı potansiyel çıkışı dahil olmak üzere farklı renklerde bu yalıtımı gösterir.
Bu üç parça genellikle devre kartında aralıklı olduğundan, yani çıkış terminali ön konektör terminaline doğru ayarlandığından ve arka panel veriyolu (adından da anlaşılacağı gibi) arkada yer aldığından izolasyon, güç kaynağı ve çıkış sürücüsü tek bir yongaya entegre edilmiştir. Akıllıca değil.
Güç yönetimi ünitesi ADP1031 (Şekil 4), tüm işlevleri yerine getirir ve AD5758 ile birlikte çalışarak daha küçük alan gereksinimleri ve güç tüketimi ile izole edilmiş çıkış modüllerinin geliştirilmesini sağlar (Şekil 5).
Şekil 4. ADP1031 güç yönetimi birimi.
ADP1031, 9 mm × 7 mm paket boyutunda dört modülü entegre eder:
· Geri dönüş dönüştürücü, pozitif yalıtılmış güç kaynağı voltajı VPOS oluşturmak için kullanılır.
· İnvertör, bipolar çıkış için gereken negatif güç VNEG'sini oluşturmak için kullanılır.
AD5758 mantık devresi için VLOG sağlamak için kullanılan düşürücü dönüştürücü.
· Ek GPIO ile izole edilmiş SPI veri arayüzü.
Geri dönüş dönüştürücünün avantajı yüksek verimliliktir; sadece küçük bir 1: 1 transformatör gereklidir. Geri dönüş dönüştürücü, ilk aşamada 28 V'a kadar izole edilmiş bir sürücü voltajı oluşturabilir. Bu, aynı toprak potansiyelini paylaşan bir invertör ve bir kova konvertörü üretir.
Güç yönetimi biriminin tasarım sürecinde, ADI özellikle elektromanyetik uyumluluğu (EMC) ve sağlamlığı güçlendirmiştir. Örneğin, çıkış voltajı faz kaydırılır ve geri dönüş kontrolörünün dönüş hızı ayarlanabilir. Aynı zamanda, iyi ölçümler elde etmek için üç gerilime de yumuşak başlatma, aşırı gerilim koruması ve akım sınırlama fonksiyonları eklenmiştir.
İzole edilmiş SPI arayüzü, olgun iCoupler teknolojisine dayanır ve iş için gerekli tüm kontrol sinyallerini iletebilir. Bu nedenle, yüksek hızlı veri yolu (dört kanal) ile düşük oranlı GPIO kontrol yolu (üç çoklanmış kanal) arasındaki ayrım gerçekleştirilir. Potansiyel uygulama, çok kanallı modülleri veya çıkışları ortak bir kontrol sinyali aracılığıyla eşzamanlı olarak etkinleştirmek, hata bayraklarını okumak veya bir güvenlik kapatmasını tetiklemektir.
Sistem avantajları
AD5758 ve ADP1031 kombinasyonu, yalnızca iki çip gerektiren izole edilmiş analog çıkışın tam işlevselliğini sağlar. Boyut yaklaşık 13 mm × 25 mm'dir ve kanal alanı gereksinimi daha küçüktür, bu da mevcut çözümün yalnızca yarısıdır.
Yerden tasarruf etmenin yanı sıra, temel işlevlerin entegrasyonu düzeni daha özlü hale getirir, potansiyelin ayrılması kolaydır ve donanım maliyeti önemli ölçüde azalır. ADI'nin 8 kanallı demo tasarımı yalnızca 77 mm × 86 mm boyutlarında altı katmanlı bir kart kullanır (Şekil 6).
Avantajların özeti:
· Güç kaybı optimizasyonu sayesinde modülü küçültün ve her modülün daha fazla kanala sahip olmasını sağlayın
· Daha yüksek ortam sıcaklığına izin vererek düşürmeye gerek yoktur
· Donanım iş yükünü azaltarak maliyetleri azaltın
· Çok kanallı modüllerin ölçeklenebilirliğini kolayca gerçekleştirin
· Güvenilir tasarım ve daha fazla teşhis işlevi
Şekil 5. Tam bir 4 kanallı analog çıkış elde etmek için ADP1031 ve AD5758'i kullanın.
Şekil 6. İzole edilmiş 8 kanallı AO modülü.
yazar hakkında
Jürgen Schemel şu anda ADI'de bir saha uygulama mühendisidir ve endüstriyel stratejik müşterilere otomasyon, endüstri 4.0 ve durum izleme uygulamalarında destek sağlamaktadır. 1996 yılında Offenburg Üniversitesi Uygulamalı Bilimler'den yüksek lisans derecesi aldı. Başlangıçta, endüstriyel uygulamalar için iletişim teknolojisi sistemlerinin tasarımıyla uğraşan Siemens'te çalıştı.
Telif hakkı bildirimi: Özel olarak belirtilen orijinal makalelere ek olarak, bu sitenin içeriği sadece daha fazla bilgi vermek içindir ve bu sitenin görüşlerini kabul ettiği anlamına gelmez. Yeniden basılmış tüm makalelerin, resimlerin, ses / video dosyalarının ve diğer materyallerin telif hakkı telif hakkı sahibine aittir. Bu sitede kullanılan orijinal olmayan yazıların ve resimlerin içeriği ile telif hakkının doğrulanması için tek tek iletişime geçilemez. Çalışmanın içeriği, telif hakkı ve diğer konular söz konusuysa, lütfen bize e-posta veya telefon yoluyla zamanında bildirin, böylece her iki taraf için de gereksiz ekonomik kayıpları önlemek için hızlı bir şekilde uygun önlemleri alabiliriz. İletişim numarası: 010-82306116; e-posta: aet@chinaaet.com.
