Os projetistas de sistemas de automação industrial enfrentam um número crescente de desafios. A montagem desses equipamentos em racks aumenta o tamanho e as restrições térmicas. Em ambientes industriais adversos, equipamentos eletrônicos sensíveis exigem tensões estritamente reguladas e os clientes exigem maior desempenho e funcionalidade. Na Parte 1 desta série-de duas partes, exploraremos as demandas conflitantes em fontes de alimentação industriais e as compensações-associadas a soluções comuns.
Introdução
O projeto de sistemas de automação industrial apresenta desafios únicos. Na verdade, é uma história de demandas conflitantes. A introdução de racks modulares-de baixo custo para abrigar componentes do sistema, como controladores lógicos programáveis (PLCs) e módulos de E/S, impôs severas restrições de espaço e térmicas aos engenheiros e às soluções. Esses desafios são ainda mais complicados pela necessidade de garantir uma operação altamente confiável em ambientes agressivos, suscetíveis a sujeira, umidade e vibração.
Além disso, os clientes esperam funcionalidade aprimorada nas gerações subsequentes de sistemas de automação, tudo isso sem aumentar o consumo de energia, o tamanho do dispositivo, a geração de calor ou o custo. Essa funcionalidade melhorada baseia-se frequentemente em avanços na tecnologia eletrónica, mas muitas vezes tem um custo: tolerâncias de energia mais rigorosas e picos nos níveis de tensão que devem permanecer estáveis apesar de fontes de energia imperfeitas.
No entanto, os engenheiros não querem gastar um tempo valioso de projeto projetando uma fonte de alimentação que passe despercebida pelos clientes e que muitas vezes seja considerada um desperdício de espaço valioso. Em vez disso, os engenheiros preferem concentrar-se em características que distinguem claramente os seus sistemas de automação dos concorrentes.
Os fornecedores de semicondutores responderam às demandas conflitantes dos projetistas de sistemas de automação industrial introduzindo módulos que integram muitas funções importantes de fonte de alimentação em um único dispositivo. No entanto, os módulos projetados para serem alimentados por fontes de alimentação de 12, 24 ou 48 VCC usadas em sistemas de automação industrial devem ser protegidos por grampos de tensão ou usar tecnologia de comutação assíncrona para suportar picos de tensão que afetam a fonte de alimentação principal. Ambas as soluções resultam em sistemas de energia maiores, mais caros e menos eficientes,-exatamente o que os engenheiros de sistema estão tentando evitar.
Esta nota de aplicação é a Parte 1 de nossa série de duas-partes sobre reguladores de controle industrial. Aqui, discutimos arquiteturas de controle industrial e suas arquiteturas exclusivas de fonte de alimentação, que apresentam desafios de projeto. Na Parte 2 desta série, discutiremos a próxima geração de dispositivos de energia que aproveitam as mais recentes tecnologias de fabricação de silício combinadas com designs inovadores de chips.
Arquiteturas de Controle Industrial
Embora 24 VCC tenha se tornado a tensão de fato para a maioria das aplicações de controle industrial (especialmente aquelas que usam CLPs), 12 VCC também é comum, normalmente como tensão de reserva de bateria ou fornecida por fontes alternativas de energia, como painéis fotovoltaicos (PV). A recente introdução do Power over Ethernet (PoE) também incentivou os fabricantes de automação industrial a projetar dispositivos alimentados pela fonte de alimentação de 48 VCC especificada por esse padrão. Um sistema de controle industrial típico usando uma fonte de alimentação de 24 VCC é mostrado na Figura 1.
Figura 1. Sistema de controle industrial típico.
O sistema inclui módulos de E/S para receber informações de sensores ou enviar comandos para atuadores, entradas digitais multi-canais, entradas e saídas analógicas multi-canais, funções de comunicação e um processador (CPU) vinculado por meio de um barramento digital. Os PLCs normalmente fornecem poder de computação. A energia é fornecida pela rede elétrica, reduzida para 24 VCC e distribuída por meio de um backplane.
Após um exame mais detalhado da fonte de alimentação do sistema, torna-se evidente que a complexidade aumenta devido aos diferentes níveis de tensão e corrente exigidos pelos diferentes componentes do sistema. A Figura 2 ilustra uma pequena parte da arquitetura da fonte de alimentação. A fonte de alimentação principal de 120 VCA/230 VCA é inicialmente reduzida usando módulos de energia industriais para fontes de alimentação de backplane de sistema padrão de 12 VCC ou 24 VCC. No nível do sistema, essa tensão do backplane é reduzida ainda mais para os níveis de tensão mais baixos exigidos pelos componentes individuais.
Figura 2. Parte da arquitetura de alimentação de um sistema de automação industrial
Por exemplo, um PLC pode consistir em um microprocessador, um processador de sinal digital (DSP) e uma matriz-de portas programáveis de campo (FPGA). Esses dispositivos requerem uma faixa de tensão de 5V a 1V. No entanto, todo o PLC pode exigir até 3,5A de corrente. Da mesma forma, módulos de E/S analógica multicanal exigem fontes de alimentação de ±15 V e 5 V para vários amplificadores, conversores analógicos-para{11}}digitais (ADCs) e multiplexadores (MUXes) com correntes de até 500 mA.
Para complicar ainda mais a situação, os projetistas devem considerar picos de tensão transitórios ("sobretensões"), que podem afetar o fornecimento de energia através de eventos como descargas atmosféricas na rede de distribuição de energia ou através de comutação rápida de cargas pesadas que compartilham o mesmo circuito de energia com sistemas de automação industrial. Picos de tensão também podem ocorrer dentro da própria arquitetura da fonte de alimentação, como quando os módulos da fonte de alimentação reduzem a tensão da fonte de alimentação para 12 VCC ou 24 VCC, especialmente ao usar dispositivos do tipo-comutação.
Esses eventos de sobretensão são tão comuns que organizações como a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) recomendam que os engenheiros projetem seus sistemas para suportá-los. Por exemplo, a IEC 60664 aborda a coordenação de isolamento em sistemas de baixa-tensão (1kVAC e 1,5kVDC), afirmando que equipamentos de "Classe II" (incluindo tipos usados em automação industrial) alimentados por 24VDC derivados da rede elétrica devem ser projetados para suportar sobretensões de até 60V.
CC-Noções básicas de regulação de tensão CC
CC-A conversão de tensão CC (ou "regulamentação") é um grande negócio, e os fornecedores de semicondutores investiram pesadamente no desenvolvimento de uma ampla gama de produtos para todas as aplicações. Os dispositivos são divididos em dois grupos: reguladores de baixa-dropout (LDOs), também conhecidos como reguladores lineares; e reguladores de comutação.
Quando cuidadosamente combinados com as características operacionais da aplicação, os reguladores de comutação normalmente oferecem maior eficiência em uma ampla faixa de tensão de entrada em comparação com os LDOs. Além disso, os reguladores de comutação podem facilmente aumentar ("aumentar-), diminuir ("reduzir-) e inverter tensões. (Observe que certas partes das fontes de alimentação do sistema de automação industrial requerem tensões invertidas. Em contraste, os LDOs só podem resistir.)
Comparados ao LDO simples e{0}}fácil de usar, os reguladores de comutação têm uma desvantagem: seu design é mais complexo. Isso ocorre porque a filtragem de saída é necessária para atenuar a ondulação de tensão e corrente gerada por operações de comutação de alta-frequência. Isso pode causar problemas em chips sensíveis e gerar interferência eletromagnética (EMI). Apesar disso, os engenheiros que projetam muitas aplicações contemporâneas estão cada vez mais favorecendo os reguladores de comutação.
A chave para o funcionamento dos reguladores de comutação é o uso de transistores de efeito de campo-de óxido metálico-semicondutores-metálicos (MOSFETs) como dispositivos de comutação. Quando o MOSFET está ligado, a corrente flui tanto para a carga quanto para um indutor externo que armazena energia. Quando o MOSFET está desligado, o indutor fornece a energia armazenada para a carga.
A modulação por largura de pulso (PWM) é normalmente usada para controlar a tensão de saída. A frequência permanece constante, enquanto a largura do pulso (o "tempo-ligado") é ajustada para fornecer a tensão desejada. A comutação de alta-frequência do regulador minimiza as perdas no sistema enquanto mantém uma saída de tensão relativamente estável em uma variedade de condições de entrada e carga.
Em um regulador de comutação de topologia assíncrona (Figura 3), a energia armazenada no indutor e depois transferida para a carga durante o ciclo desligado do MOSFET não flui diretamente para a carga. Em vez disso, é propagado através de um diodo Schottky externo. Se o indutor for selecionado de acordo com a carga esperada, o regulador chaveador operará em modo de condução contínua, proporcionando regulação estável.
Figura 3. Circuito regulador buck assíncrono.
A eficiência final deste tipo de regulador de comutação é determinada principalmente por dois fatores: a queda de tensão direta do diodo Schottky externo e as características da corrente de fuga reversa do dispositivo. Em dispositivos modernos, a queda de tensão direta está se aproximando do limite de aproximadamente 0,3V. Isto pode não parecer muito, mas resulta num consumo contínuo de energia e numa eficiência reduzida.
A substituição dos diodos Schottky por MOSFETs melhora a eficiência porque a resistência de ativação (Ron) dos transistores pode ser reduzida usando técnicas avançadas de fabricação, resultando em tensão direta (e perdas) mais baixas do que os diodos originais. Os dois MOSFETs neste circuito devem operar de forma síncrona, com um conduzindo e o outro bloqueando. (Veja a Figura 4.)
Figura 4. Circuito regulador buck síncrono.
O segundo MOSFET do-chamado regulador síncrono pode ser integrado ao módulo. Além de eliminar a necessidade de um diodo Schottky externo, isso simplifica o projeto do circuito e reduz a lista de materiais (BOM).
Um efeito colateral do projeto do regulador síncrono é que a corrente flui bidirecionalmente no indutor devido à operação de comutação dos dois MOSFETs (isto é, perdas duplicadas do indutor). Isso contrasta com o fluxo unidirecional em tipos assíncronos. Em reguladores síncronos, as perdas são normalmente pequenas, mas em cargas mais baixas, a eficiência do dispositivo pode ser inferior à dos tipos assíncronos equivalentes, resultando em perdas maiores.
Os principais fornecedores de semicondutores abordaram esta desvantagem utilizando várias tecnologias. Por exemplo, a Maxim Integrated lançou uma série de reguladores síncronos de alta-tensão, como o MAX17503, apresentando uma função MODE que permite ao dispositivo operar em três modos selecionáveis: PWM, modulação de frequência de pulso (PFM) e modo de condução descontínua (DCM). PWM é usado para operação normal. O PFM melhora a eficiência em cargas mais baixas, eliminando a corrente de indutância reversa e saltando pulsos. O DCM também elimina a corrente de indutância reversa para melhorar a eficiência em cargas mais baixas, mas não pula pulsos. Isso torna o DCM adequado para aplicações sensíveis-à frequência.
Resumo
Reguladores síncronos de alta-tensão e alta-corrente de saída atendem à demanda por módulos de energia compactos, eficientes e fáceis de{2}}projetar-em automação industrial. Vários fatores contribuíram para o desafio do fornecimento de energia industrial, mas uma arquitetura reguladora síncrona de alta-tensão está agora disponível para atender a todos os requisitos. Embora a seleção atual de componentes adequados seja limitada, a linha continua a se expandir para atender a todos os requisitos de conversão de tensão CC-CC para sistemas típicos, com saídas de energia que variam de centenas de miliamperes a vários amperes. Na Parte 2, discutiremos como as inovações em reguladores síncronos podem ajudar a enfrentar os desafios de consumo de energia