産業オートメーションの電源ジレンマ: 産業用制御アーキテクチャ

産業オートメーション システムの設計者は、ますます多くの課題に直面しています。このような機器をラックに取り付けると、サイズと熱の制約が増大します。過酷な産業環境では、精密な電子機器には厳密に調整された電圧が必要であり、顧客はより高い性能と機能を求めています。この 2 部構成シリーズのパート 1 では、産業用電源に対する相反する需要と、一般的なソリューションに関連するトレードオフについて説明します。-

導入

産業オートメーション システムの設計には特有の課題があります。実際、これは相反する要求の物語です。プログラマブル 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 コンポーネントを収容するための低コストのモジュラー ラックの導入により、エンジニアとソリューションにはスペースと熱の厳しい制約が課せられています。これらの課題は、汚れ、湿気、振動の影響を受けやすい過酷な環境で信頼性の高い動作を保証する必要があるため、さらに複雑になります。

さらに、顧客は、消費電力、デバイス サイズ、発熱、コストを増加させることなく、次世代のオートメーション システムで機能が強化されることを期待しています。このような機能強化は、多くの場合、電子技術の進歩に基づいていますが、多くの場合、より厳しい電力許容誤差や、不完全な電源にもかかわらず安定性を維持する必要がある電圧レベルのサージなどのコストがかかります。

しかし、エンジニアは、顧客の目に留まらず、貴重なスペースの無駄とみなされる電源の設計に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、エンジニアは自社の自動化システムを競合他社と明確に区​​別する機能に重点を置くことを好みます。

半導体サプライヤーは、多くの主要な電源機能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で、産業オートメーション システム設計者の相反する要求に応えてきました。ただし、産業用オートメーション システムで使用される 12、24、または 48VDC 電源で電力を供給するように設計されたモジュールは、電圧クランプで保護するか、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、電源システムが大きくなり、高価になり、効率が低下することになります。-まさにシステム エンジニアが避け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、産業用制御レギュレータに関する 2 部構成のシリーズの第 1 部です。-ここでは、設計上の課題となる産業用制御アーキテクチャとその独自の電源アーキテクチャについて説明します。このシリーズのパート 2 では、最新のシリコン製造技術と革新的なチップ設計を組み合わせた次世代パワーデバイスについて説明します。

産業用制御アーキテクチャ

 

 

ほとんどの産業用制御アプリケーション (特に PLC を使用するアプリケーション) では 24VDC が事実上の電圧となっていますが、通常はバッテリ バックアップ電圧として、または太陽光発電 (PV) パネルなどの代替エネルギー源によって供給される 12VDC も一般的です。最近の Power over Ethernet (PoE) の導入により、産業オートメーション メーカーは、その規格で指定されている 48VDC 電源によって電力供給されるデバイスを設計することも奨励されています。 24VDC 電源を使用する一般的な産業用制御システムを図 1 に示します。

図 1. 典型的な産業用制御システム。

たとえば、PLC は、マイクロプロセッサ、デジタル シグナル プロセッサ (DSP)、フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) で構成されます。{0}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 全体で最大 3.5A の電流が必要になる場合があります。同様に、マルチ-チャンネル アナログ I/O モジュールには、最大 500mA の電流を流すさまざまなアンプ、アナログ-デジタル コンバータ（ADC）、およびマルチプレクサ（MUX）用の ±15V および 5V の電源が必要です。{{10}{11}}

問題をさらに複雑にするために、設計者は過渡電圧スパイク (「過電圧」) を考慮する必要があります。過渡電圧スパイクは、配電ネットワークでの落雷などのイベントや、産業用オートメーション システムと同じ電源回路を共有する重負荷の急速なスイッチングなどのイベントを通じて、電源供給に影響を与える可能性があります。電圧スパイクは、特にスイッチ-モード タイプのデバイスを使用する場合、電源モジュールが電源電圧を 12VDC または 24VDC に降圧するときなど、電源アーキテクチャ自体内でも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、国際電気標準会議 (IEC) などの組織は、エンジニアが過電圧イベントに耐えられるようにシステムを設計することを推奨しています。たとえば、IEC 60664 は、低電圧 (1kVAC および 1.5kVDC) システムにおける絶縁調整を取り上げており、主電源から供給される 24VDC によって電力供給される「クラス II」機器 (産業オートメーションで使用されるタイプを含む) は、最大 60V の過電圧に耐えるように設計されるべきであると述べています。{2}

DC-DC 電圧レギュレーションの基本

DC-DC 電圧変換（または「レギュレーション」）は大きなビジネスであり、半導体サプライヤーはあらゆる用途向けの幅広い製品の開発に多額の投資を行ってきました。デバイスは 2 つのグループに分けられます。1 つはリニア レギュレータとも呼ばれる低ドロップアウト レギュレータ (LDO)、- です。そしてスイッチングレギュレーター。

スイッチングレギュレータは、アプリケーションの動作特性に注意深く適合させると、通常、LDO と比較して広い入力電圧範囲にわたって高い効率を実現します。さらに、スイッチングレギュレータは、電圧の昇圧（「昇圧」）、降圧（「降圧」-）、反転を簡単に行うことができます。 (産業オートメーション システムの電源の特定の部分で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 は降圧のみが可能です。)

シンプルでユーザーフレンドリーな LDO と比較すると、スイッチング レギュレータには設計がより複雑であるという欠点が 1 つあります。{0}これは、高周波スイッチング動作によって生成される電圧および電流リップルを減衰す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、敏感なチップに問題が発生し、電磁干渉 (EMI) が発生する可能性があります。それにもかかわらず、多くの現代アプリケーションを設計するエンジニアは、スイッチングレギュレータをますます好むようになっています。

スイッチング レギュレータの動作の鍵となるのは、金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ-をスイッチング デバイスとして使用することです。 MOSFETがオンの場合、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がオフの場合、インダクタは蓄積されたエネルギーを負荷に供給します。

通常、出力電圧の制御にはパルス幅変調 (PWM) が使用されます。周波数は一定のままですが、パルス幅（「オン-時間」）は目的の電圧を提供するように調整されます。レギュレータの高周波スイッチングにより、システムの損失を最小限に抑えながら、さまざまな入力および負荷条件にわたって比較的安定した電圧出力を維持します。-

非同期トポロジのスイッチング レギュレータ (図 3) では、インダクタに蓄えられ、MOSFET オフ サイクル中に負荷に転送されるエネルギーは、負荷に直接流れません。代わりに、外部ショットキー ダイオードを介して伝播されます。予想される負荷に応じてインダクタを選択すると、スイッチングレギュレータは連続導通モードで動作し、安定したレギュレーションを実現します。

図3. 非同期降圧レギュレータ回路。

 

このタイプのスイッチング レギュレータの最終的な効率は、主に 2 つの要素、つまり外部ショットキー ダイオードの順方向電圧降下とデバイスの逆方向漏れ電流特性によって決まります。最新のデバイスでは、順方向電圧降下は約 0.3V の限界に近づいています。これは大したことではないように思えるかもしれませんが、継続的な電力消費と効率の低下をもたらします。

ショットキー ダイオードを MOSFET に置き換えると、高度な製造技術を使用してトランジスタのオン抵抗 (Ron) を低減できるため、効率が向上します。その結果、元のダイオードよりも順方向電圧 (および損失) が低くなります。{0}この回路内の 2 つの MOSFET は同期して動作し、一方が導通し、もう一方が遮断する必要があります。 (図 4 を参照)

                                        図4. 同期降圧レギュレータ回路。

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。{0}}これにより、外部ショットキー ダイオードが不要になるだけでなく、回路設計が簡素化され、部品表 (BOM) が削減されます。

同期レギュレータ設計の副作用は、2 つの MOSFET のスイッチング動作により、電流がインダクタ内を双方向に流れることです (つまり、インダクタ損失が 2 倍になります)。これは、非同期型の一方向フローとは対照的です。同期レギュレータの損失は通常小さいですが、負荷が低い場合、デバイスの効率が同等の非同期タイプよりも低くなり、損失が大きくなる可能性があります。

大手半導体サプライヤーは、さまざまな技術を使用してこの欠点に対処しています。たとえば、Maxim Integrated は、MAX17503 などの一連の高電圧同期レギュレータを発表しました。これは、PWM、パルス周波数変調 (PFM)、および不連続導通モード (DCM) の 3 つの選択可能なモードでデバイスが動作できるようにする MODE 機能を備えています。通常動作には PWM が使用されます。 PFM は、逆インダクタンス電流を排除し、パルスをスキップすることにより、低負荷時の効率を向上させます。また、DCM は逆インダクタンス電流を排除して低負荷時の効率を向上させますが、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{0}}電圧、高出力電流の同期レギュレータは、-産業オートメーションにおけるコンパクトで効率的で、設計が容易な電源モジュールの需要を満たします。{2}産業用電源の課題にはいくつかの要因が考えられますが、高電圧同期レギュレータ アーキテクチャがすべての要件に対応できるようになりました。-現在、適切なコンポーネントの選択は限られていますが、一般的なシステムのすべての DC- 電圧変換要件を満たすために範囲は拡大し続けており、出力は数百ミリアンペアから数アンペアに及びます。パート 2 では、同期レギュレータの新しいイノベーションが消費電力の課題にどのように対処できるかについて説明します。