Les concepteurs de systèmes d’automatisation industrielle sont confrontés à un nombre croissant de défis. Le montage de tels équipements dans des racks entraîne une augmentation de l'encombrement et des contraintes thermiques. Dans les environnements industriels difficiles, les équipements électroniques sensibles nécessitent des tensions strictement régulées, et les clients exigent des performances et des fonctionnalités supérieures. Dans la première partie de cette série en deux-séries, nous explorerons les demandes contradictoires en matière d'alimentations industrielles et les compromis-associés aux solutions courantes.
Introduction
La conception de systèmes d’automatisation industrielle présente des défis uniques. En fait, c’est une histoire de demandes contradictoires. L'introduction de racks modulaires à faible coût pour héberger les composants du système tels que les automates programmables (PLC) et les modules d'E/S a imposé de sévères contraintes d'espace et thermiques aux ingénieurs et aux solutions. Ces défis sont encore compliqués par la nécessité de garantir un fonctionnement extrêmement fiable dans des environnements difficiles sensibles à la saleté, à l'humidité et aux vibrations.
De plus, les clients attendent des fonctionnalités améliorées dans les générations suivantes de systèmes d'automatisation, le tout sans augmenter la consommation d'énergie, la taille des appareils, la production de chaleur ou le coût. Ces fonctionnalités améliorées reposent souvent sur les progrès de la technologie électronique, mais elles ont souvent un coût : des tolérances de puissance plus strictes et des surtensions dans les niveaux de tension qui doivent rester stables malgré des sources d'alimentation imparfaites.
Cependant, les ingénieurs ne souhaitent pas consacrer un temps précieux à la conception d'une alimentation électrique qui passe inaperçue auprès des clients et est souvent considérée comme une perte d'espace précieux. Au lieu de cela, les ingénieurs préfèrent se concentrer sur les fonctionnalités qui distinguent clairement leurs systèmes d'automatisation de ceux de leurs concurrents.
Les fournisseurs de semi-conducteurs ont répondu aux demandes contradictoires des concepteurs de systèmes d'automatisation industrielle en introduisant des modules intégrant de nombreuses fonctions clés d'alimentation électrique dans un seul dispositif. Cependant, les modules conçus pour être alimentés par des alimentations 12, 24 ou 48 V CC utilisées dans les systèmes d'automatisation industrielle doivent être protégés par des pinces de tension ou utiliser une technologie de commutation asynchrone pour résister aux pics de tension qui affectent l'alimentation principale. Les deux solutions aboutissent à des systèmes d'alimentation plus grands, plus coûteux et moins efficaces-exactement ce que les ingénieurs système tentent d'éviter.
Cette note d'application constitue la première partie de notre série en deux -sur les régulateurs de contrôle industriels. Nous discutons ici des architectures de contrôle industriel et de leurs architectures d'alimentation uniques, qui présentent des défis de conception. Dans la deuxième partie de cette série, nous discuterons de la prochaine génération de dispositifs d'alimentation qui exploitent les dernières technologies de fabrication de silicium combinées à des conceptions de puces innovantes.
Architectures de contrôle industriel
Alors que le 24 V CC est devenu la tension de facto pour la plupart des applications de contrôle industriel (en particulier celles utilisant des automates programmables), le 12 V CC est également courant, généralement comme tension de batterie de secours ou fourni par des sources d'énergie alternatives telles que les panneaux photovoltaïques (PV). L'introduction récente du Power over Ethernet (PoE) a également encouragé les fabricants d'automatisation industrielle à concevoir des dispositifs alimentés par l'alimentation 48 V CC spécifiée par cette norme. Un système de contrôle industriel typique utilisant une alimentation 24 V CC est illustré à la figure 1.
Figure 1. Système de contrôle industriel typique.
Le système comprend des modules d'E/S pour recevoir des informations des capteurs ou envoyer des commandes aux actionneurs, des entrées numériques multi-canaux, des entrées et sorties analogiques multi-canaux, des fonctions de communication et un processeur (CPU) relié via un bus numérique. Les automates fournissent généralement de la puissance de calcul. L'alimentation est fournie par le secteur, réduite à 24 V CC et distribuée via un fond de panier.
En examinant de plus près l'alimentation électrique du système, il devient évident que la complexité augmente en raison des niveaux variables de tension et de courant requis par les différents composants du système. La figure 2 illustre une petite partie de l'architecture d'alimentation. L'alimentation principale 120 V CA/230 V CA est initialement réduite à l'aide de modules d'alimentation industriels vers des alimentations de fond de panier système standard 12 V CC ou 24 V CC. Au niveau du système, cette tension du fond de panier est encore abaissée jusqu'aux niveaux de tension inférieurs requis par les composants individuels.
Figure 2. Partie de l'architecture d'alimentation électrique d'un système d'automatisation industrielle
Par exemple, un automate peut être constitué d'un microprocesseur, d'un processeur de signal numérique (DSP) et d'un réseau de portes programmables sur site (FPGA). Ces appareils nécessitent une plage de tension de 5 V à 1 V. Cependant, l'ensemble de l'automate peut nécessiter jusqu'à 3,5 A de courant. De même, les modules d'E/S analogiques multi-canaux nécessitent des alimentations ±15 V et 5 V pour divers amplificateurs, des convertisseurs analogiques-vers-numériques (CAN) et des multiplexeurs (MUX) avec des courants allant jusqu'à 500 mA.
Pour compliquer encore les choses, les concepteurs doivent prendre en compte les pointes de tension transitoires (« surtensions »), qui peuvent affecter la fourniture d'énergie en raison d'événements tels que la foudre sur le réseau de distribution d'énergie ou en raison de la commutation rapide de charges lourdes partageant le même circuit d'alimentation avec des systèmes d'automatisation industrielle. Des pics de tension peuvent également se produire au sein de l'architecture d'alimentation elle-même, par exemple lorsque les modules d'alimentation abaissent la tension d'alimentation à 12 V CC ou 24 V CC, en particulier lors de l'utilisation de dispositifs de type à découpage -.
Ces événements de surtension sont si courants que des organisations telles que la Commission électrotechnique internationale (CEI) recommandent aux ingénieurs de concevoir leurs systèmes pour y résister. Par exemple, la norme CEI 60664 traite de la coordination de l'isolation dans les systèmes basse tension - (1 kVAC et 1,5 kVDC), déclarant que les équipements de « classe II » (y compris les types utilisés dans l'automatisation industrielle) alimentés par 24 V CC dérivé du secteur doivent être conçus pour résister à des surtensions jusqu'à 60 V.
Bases de la régulation de tension CC-CC
La conversion de tension continue-CC (ou "réglementation") est une activité importante, et les fournisseurs de semi-conducteurs ont investi massivement dans le développement d'une large gamme de produits pour toutes les applications. Les appareils sont divisés en deux groupes : les régulateurs à faible-décrochage (LDO), également appelés régulateurs linéaires ; et des régulateurs à découpage.
Lorsqu'ils sont soigneusement adaptés aux caractéristiques de fonctionnement de l'application, les régulateurs à découpage offrent généralement un rendement plus élevé sur une large plage de tension d'entrée que les LDO. De plus, les régulateurs à découpage peuvent facilement augmenter ("step-up"), abaisser ("step-down") et inverser les tensions. (Notez que certaines parties des alimentations des systèmes d'automatisation industrielle nécessitent des tensions inversées. En revanche, les LDO ne peuvent que s'inverser.)
Par rapport au LDO, simple et-convivial, les régulateurs à découpage présentent un inconvénient : leur conception est plus complexe. En effet, un filtrage de sortie est nécessaire pour atténuer les ondulations de tension et de courant générées par les opérations de commutation à haute fréquence -. Cela peut entraîner des problèmes pour les puces sensibles et générer des interférences électromagnétiques (EMI). Malgré cela, les ingénieurs qui conçoivent de nombreuses applications contemporaines privilégient de plus en plus les régulateurs à découpage.
La clé du fonctionnement des régulateurs à découpage réside dans l'utilisation de transistors à effet de champ à -oxyde métallique-semi-conducteur-(MOSFET) comme dispositifs de commutation. Lorsque le MOSFET est activé, le courant circule à la fois vers la charge et vers un inducteur externe qui stocke l'énergie. Lorsque le MOSFET est éteint, l'inducteur fournit l'énergie stockée à la charge.
La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est généralement utilisée pour contrôler la tension de sortie. La fréquence reste constante, tandis que la largeur d'impulsion (le "temps de marche-") est ajustée pour fournir la tension souhaitée. La commutation haute -fréquence du régulateur minimise les pertes dans le système tout en maintenant une tension de sortie relativement stable dans une plage de conditions d'entrée et de charge.
Dans un régulateur à découpage à topologie asynchrone (Figure 3), l'énergie stockée dans l'inductance puis transférée à la charge pendant le cycle d'arrêt du MOSFET ne circule pas directement vers la charge. Au lieu de cela, il se propage via une diode Schottky externe. Si l'inducteur est sélectionné en fonction de la charge attendue, le régulateur à découpage fonctionnera en mode de conduction continue, assurant une régulation stable.
Figure 3. Circuit régulateur abaisseur asynchrone.
L'efficacité ultime de ce type de régulateur à découpage est principalement déterminée par deux facteurs : la chute de tension directe de la diode Schottky externe et les caractéristiques de courant de fuite inverse du dispositif. Dans les appareils modernes, la chute de tension directe se rapproche de la limite d'environ 0,3 V. Cela peut sembler peu, mais cela entraîne une consommation d’énergie continue et une efficacité réduite.
Le remplacement des diodes Schottky par des MOSFET améliore l'efficacité, car la résistance à l'état passant (Ron) des transistors peut être réduite à l'aide de techniques de fabrication avancées, ce qui entraîne une tension directe (et des pertes) inférieure à celle des diodes d'origine. Les deux MOSFET de ce circuit doivent fonctionner de manière synchrone, l'un conduisant et l'autre bloquant. (Voir la figure 4.)
Figure 4. Circuit régulateur abaisseur synchrone.
Le deuxième MOSFET du soi-disant régulateur synchrone peut être intégré au module. En plus d'éliminer le besoin d'une diode Schottky externe, cela simplifie la conception du circuit et réduit la nomenclature (BOM).
Un effet secondaire de la conception du régulateur synchrone est que le courant circule de manière bidirectionnelle dans l'inductance en raison de l'opération de commutation des deux MOSFET (c'est-à-dire des pertes dans l'inductance doublées). Cela contraste avec le flux unidirectionnel des types asynchrones. Dans les régulateurs synchrones, les pertes sont généralement faibles, mais à des charges inférieures, l'efficacité du dispositif peut être inférieure à celle des types asynchrones équivalents, ce qui entraîne des pertes plus importantes.
Les principaux fournisseurs de semi-conducteurs ont résolu cet inconvénient en utilisant diverses technologies. Par exemple, Maxim Integrated a introduit une série de régulateurs synchrones haute tension-, tels que le MAX17503, dotés d'une fonction MODE qui permet à l'appareil de fonctionner selon trois modes sélectionnables : PWM, modulation de fréquence d'impulsion (PFM) et mode de conduction discontinue (DCM). PWM est utilisé pour un fonctionnement normal. Le PFM améliore l'efficacité à des charges inférieures en éliminant le courant d'inductance inverse et les impulsions sautées. Le DCM élimine également le courant d'inductance inverse pour améliorer l'efficacité à des charges inférieures, mais ne saute pas les impulsions. Cela rend DCM adapté aux applications-sensibles à la fréquence.
Résumé
Les régulateurs synchrones haute-tension et-courant de sortie élevé répondent à la demande de modules d'alimentation compacts, efficaces et faciles-à-concevoir dans l'automatisation industrielle. Plusieurs facteurs ont contribué au défi de l'alimentation électrique industrielle, mais une architecture de régulateur synchrone haute tension-est désormais disponible pour répondre à toutes les exigences. Bien que la sélection actuelle de composants appropriés soit limitée, la gamme continue de s'élargir pour répondre à toutes les exigences de conversion de tension CC-CC pour les systèmes typiques, avec des puissances de sortie allant de centaines de milliampères à plusieurs ampères. Dans la deuxième partie, nous discuterons de la manière dont les nouvelles innovations en matière de régulateurs synchrones peuvent aider à relever les défis de consommation d'énergie.