産業自動化システムの設計者は、増加する課題に直面しています。そのような機器を取り付けるラックは、サイズと熱の制約の増加につながる可能性があります。敏感な電子機器が厳密に調整された電圧を必要とする過酷な産業環境では、顧客はより高いパフォーマンスと機能を必要とします。この2部構成のシリーズのパート1では、産業用電源と共通のソリューションに関連するトレードオフに関する相反する要求を探ります。
導入
産業用自動化システムの設計は、ユニークな課題を提示します。実際、それは矛盾する要求の物語です。プログラム可能なロジックコントローラー（PLC）やI/Oモジュールなどのシステムコンポーネントに低コストのモジュラーラックを導入すると、エンジニアとソリューションに深刻なスペースと熱的制約があります。これらの課題は、汚れ、湿度、振動を受けやすい過酷な環境での非常に信頼性の高い操作を確保する必要性によって悪化します。
さらに、顧客は、電力消費、機器の規模、熱生成、コストを増やすことなく、その後の世代の自動化システムで機能の強化を期待しています。このような機能強化は、多くの場合、電子機器の進歩に基づいていますが、多くの場合、価格があります。これは、完璧ではない電源から生まれながら安定したままでなければならない電圧レベルのより緊密な電力耐性と急増です。
ただし、エンジニアは、顧客に気付かれず、多くの場合、貴重なスペースの無駄と見なされる電源を設計する貴重なプロジェクト時間を費やしたくありません。代わりに、エンジニアは、自動化システムを競合他社と明確に区別するものに焦点を当てることを好みます。
半導体サプライヤは、電源の重要な機能の多くを単一のデバイスに統合するモジュールを導入することにより、産業自動化システム設計者の矛盾するニーズに対応しています。ただし、産業用自動化システムで使用される12、24、または48VDCの供給を搭載するように設計されたモジュールは、電圧クランプによって保護されるか、非同期スイッチング技術を使用して、主電源を悩ませる電圧スパイクに耐える必要があります。どちらのソリューションも、より大きく、より高価で、効率の低い電力システムをもたらします - まさにシステムエンジニアが回避しようとしているものです。
このアプリケーションノートは、産業規制規制当局に関する2部構成のシリーズのパート1です。ここでは、産業制御アーキテクチャとそれらをユニークにする電源アーキテクチャについて説明します。デザインの課題について説明します。このシリーズのパート2では、革新的なチップデザインと組み合わせた最新のシリコン製造技術を利用する次世代のパワーデバイスについて説明します。
産業管理アーキテクチャ
24VDCはほとんどの産業制御アプリケーション（特にPLCを使用するもの）の事実上電圧になりましたが、12VDCも一般的であり、バッテリーバックアップ電圧として使用されるか、太陽光発電（PV）パネルなどの代替エネルギー源によって提供されることがよくあります。最近の電力の導入イーサネット（POE）は、産業用自動化メーカーが標準で指定された48VDC供給を搭載した機器を設計することを奨励しています。 24VDC電源を使用した典型的な産業制御システムを図1に示します。
図1。典型的な産業制御システム。
このシステムは、センサーから情報を受信したり、アクチュエーターにコマンドを送信したりするためのI/Oモジュール、マルチチャネルデジタル入力、マルチチャネルアナログ入力と出力、通信機能、およびデジタルバスを介してリンクされたプロセッサ（CPU）で構成されています。通常、コンピューティング能力を提供します。電力はユーティリティから供給され、24VDCに踏み出され、バックプレーンに分布しています。
システムの電源を詳しく見ると、さまざまなシステムコンポーネントが必要とする電圧と電流レベルが異なるため、より複雑さが大きくなります。図2は、パワーアーキテクチャのごく一部を示しています。 120VAC/230VACメインパワー供給は、最初は産業電力モジュールを使用して標準の12VDCまたは24VDCシステムバックプレーン電源に踏み出されます。システムレベルでは、このバックプレーン電圧は、個々のコンポーネントが必要とする低電圧レベルまでさらに下降します。
図2。産業自動化システムのパワーアーキテクチャの一部。
たとえば、PLCは、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（DSP）、およびフィールドプログラム可能なゲートアレイ（FPGA）で構成できます。これらのデバイスには、5V〜1Vの電圧範囲が必要です。ただし、PLC全体には最大3.5aの電流が必要になる場合があります。同様に、マルチチャネルアナログI/Oモジュールには、さまざまなアンプ、アナログからデジタルコンバーター（ADC）、および500mAの電流を持つマルチプレクサ（MUX）に±15Vおよび5Vの供給が必要です。
問題を複雑にするために、設計者は、流通ネットワーク上の落雷などのイベントや、産業用自動化システムと同じ電力回路を共有する重い負荷を迅速に切り替えることにより、電源に影響を与える一時的な電圧スパイク（「過電圧」）を考慮する必要があります。たとえば、電源モジュールが電源電圧を12VDCまたは24VDCに踏み込んだ場合、特にスイッチモードタイプのデバイスを使用する場合、電源アーキテクチャ自体でも電圧スパイクが発生する可能性があります。
これらの過電圧イベントは非常に一般的であるため、国際電気化学委員会（IEC）などの組織は、エンジニアがシステムに耐えるように設計することを推奨しています。たとえば、低電圧（1KVACおよび1.5KVDC）システムの断熱調整を扱うIEC 60664は、ユーティリティ由来の24VDC電源を搭載した「クラスII」機器（産業自動化に使用される機器の種類を含む）を設計する必要があると述べています。最大60Vの過電圧に耐える。
DC-DC電圧レギュレーションの基本
DC-DC電圧変換（または「規制」）は大企業であり、半導体サプライヤーはすべてのアプリケーション向けの幅広い製品の開発に多額の投資を行っています。デバイスは2つのグループに分かれています。低ドロップアウトレギュレーター（LDO）、線形調節因子としても知られています。およびスイッチングレギュレーター。
アプリケーションの動作特性に慎重に一致する場合、LDOSと比較して、通常、スイッチングレギュレーターは広い入力電圧範囲よりも効率的です。さらに、レギュレーターの切り替えは、簡単にステップアップ（「ブースト」）、ステップダウン（「バック」）、および反転電圧を上げます。 （産業用自動化システムの電源の一部は、反転電圧が必要であることに注意してください。対照的に、LDOは電圧を下げることしかできません。
スイッチングレギュレーターには、使いやすいLDOよりも1つの欠点があります。レギュレーターの設計はより複雑です。これは、高周波スイッチング操作によって生成される電圧と電流リップルを減衰させるために出力フィルタリングが必要であるためです。これにより、敏感なチップの問題が発生し、電磁干渉（EMI）が生成されます。それにもかかわらず、多くの現代的なアプリケーションを設計するエンジニアは、規制当局の切り替えをますます支持しています。
スイッチングレギュレーターの動作の鍵は、スイッチングデバイスとしての金属酸化物半導体フィールド効果トランジスタ（MOSFET）を使用することです。 MOSFETがオンになると、電流は負荷とエネルギーを蓄積する外部インダクタの両方に流れます。 MOSFETがオフになると、インダクタは貯蔵されたエネルギーを負荷に与えます。
パルス幅変調（PWM）は通常、出力電圧を制御するために使用されます。周波数は一定に保持され、パルス幅（「オンタイム」）が調整されて、目的の電圧を提供します。レギュレータの高周波スイッチングは、システムの損失を制限し、さまざまな入力と負荷にわたって比較的安定した電圧出力を維持します。
非同期トポロジースイッチングレギュレーター（図3）では、インダクタに保存され、MOSFETオフサイクル中に荷重に伝達されるエネルギーは、負荷に直接流れません。代わりに、外部のSchottkyダイオードを介して伝播されます。予想される負荷に基づいてインダクタが選択されている場合、スイッチングレギュレータは連続伝導モードで動作し、安定した調整電圧を提供します。
図3。非同期バックレギュレーター回路。
これらのスイッチングレギュレーターの究極の効率は、2つの主要な要因によって決定されます。外部Schottkyダイオードの順方向電圧降下と、デバイスの逆漏れ電流特性です。最新のデバイスでは、順方向電圧降下が約0。3Vの制限に近づいています。これはそれほど多くは聞こえませんが、デバイスの消費と効率の低下につながります。
Schottky DiodeをMOSFETに置き換えると効率が向上します。これは、トランジスタのオン抵抗（R）を高度な製造技術を使用して下げることができ、元のダイオードよりも前方電圧（および損失）を低く保つことができるためです。この回路の2つのMOSFETの動作は、1つが導電性とオフになるように同期する必要があります。
図4。同期バックレギュレーター回路。
いわゆる同期レギュレータの2番目のMOSFETをモジュールに統合できます。外部のSchottkyダイオードを排除することに加えて、これは簡素化されます回路設計材料手形（BOM）を減らします。
同期レギュレーター設計の副作用は、2つのMOSFETのスイッチング操作（つまり、誘導損失の2倍）により、インダクタの両方向に電流が流れることです。これは、非同期の単方向の流れと比較されます。同期レギュレーターでは、通常、損失は小さくなりますが、デバイスの効率が同等の非同期タイプよりも低い場合に低い負荷で大きくなります。
主要な半導体サプライヤーは、さまざまな手法を使用してこの欠点に取り組んでいます。例えば、マキシム統合一連のシリーズを導入しました高電圧MAX17503などの同期調節因子は、3つの選択可能な動作モードでデバイスを操作するために使用できるモード関数を備えています。また、DCMは逆インダクタ電流を排除して、低荷重での効率を改善しますが、パルスをスキップしません。これにより、DCMは周波数に敏感なアプリケーションに適しています。
まとめ
高電圧、高出力電流同期レギュレーターは、コンパクトで効率的で設計しやすいパワーモジュールのための産業自動化のニーズを満たしています。いくつかの要因が産業力のジレンマに貢献していますが、すべてのニーズを満たす高電圧同期レギュレーターアーキテクチャが利用可能になりました。適切なコンポーネントの現在の選択は限られていますが、範囲は拡大し続け、典型的なシステムのすべてのDC-DC電圧変換要件を満たし、数百ミリヤンペからいくつかのアンプまでの出力を備えています。パート2では、同期規制当局の新しいイノベーションが消費電力の課題の解決にどのように役立つかについて説明します。