技術(shù)已將工業(yè)自動化系統(tǒng)提升到一個全新的水平，巨型機器和高功率設(shè)備被縮小為更小的組件。這提供了設(shè)備節(jié)省空間的特性以及將更多組件填充到微型系統(tǒng)中。然而，工程是一個總是需要權(quán)衡利弊的領(lǐng)域。這項技術(shù)給設(shè)計師帶來了需要解決的新挑戰(zhàn)。
　　工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計提出了獨特的挑戰(zhàn)。事實上，這是一個相互沖突的需求的故事。引入低成本模塊化機架來容納可編程邏輯控制器 (PLC) 和 I/O 模塊等系統(tǒng)組件，給工程師和解決方案帶來了嚴(yán)格的空間和熱限制。由于需要確保在受灰塵、潮濕和振動影響的惡劣環(huán)境中高度可靠地運行，這些挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。
　　此外，客戶期望后續(xù)幾代自動化系統(tǒng)的功能得到增強，并且不會增加功耗、設(shè)備尺寸、發(fā)熱和成本。這種增強的功能通常以電子技術(shù)的進步為基礎(chǔ)，但往往要付出代價：更嚴(yán)格的功率容差和電壓水平的激增，而電壓水平必須保持穩(wěn)定，同時來自不太完美的主電源。
　　然而，工程師不想花費寶貴的項目時間來設(shè)計不被客戶注意到并且通常被認(rèn)為浪費寶貴空間的電源。相反，工程師更喜歡關(guān)注那些能夠?qū)⑺淖詣踊到y(tǒng)與競爭對手明顯區(qū)分開來的事情。
　　半導(dǎo)體供應(yīng)商通過推出將電源的許多關(guān)鍵功能集成在單個設(shè)備中的模塊來滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計人員的相互沖突的需求。然而，設(shè)計為由工業(yè)自動化系統(tǒng)使用的 12、24 或 48VDC 電源供電運行的模塊必須通過電壓鉗位進行保護，或者使用異步開關(guān)技術(shù)來承受困擾主電源的電壓尖峰。這兩種解決方案都會導(dǎo)致電力系統(tǒng)變得更大、更昂貴且效率更低——而這正是系統(tǒng)工程師想要避免的。
　　本應(yīng)用筆記是我們的工業(yè)控制穩(wěn)壓器系列兩部分的第 1 部分。在這里，我們討論工業(yè)控制架構(gòu)以及使其的電源架構(gòu)，這是一項設(shè)計挑戰(zhàn)。在本系列的第 2 部分中，我們將討論新一代功率器件，這些器件利用與創(chuàng)新芯片設(shè)計相結(jié)合的硅制造技術(shù)。
　　工業(yè)控制架構(gòu)
　　雖然 24VDC 已成為大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用（尤其是采用 PLC 的工業(yè)控制應(yīng)用）事實上的電壓，但 12VDC 也很常見，通常作為電池備用電壓或由光伏等替代能源供電（光伏）面板。近推出的以太網(wǎng)供電 (PoE) 也鼓勵工業(yè)自動化制造商設(shè)計使用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 48VDC 電源運行的設(shè)備。采用 24VDC 電源的典型工業(yè)控制系統(tǒng)如圖 1 所示。

　　

　　該系統(tǒng)包括用于從傳感器接收信息或向執(zhí)行器發(fā)送指令的I/O模塊、多通道數(shù)字輸入、多通道模擬輸入和輸出、通信功能以及通過數(shù)字總線連接的處理器(CPU)。PLC 通常提供計算能力。電源由主電源提供，降壓至 24VDC，并通過背板分配。
　　仔細(xì)觀察系統(tǒng)的電源就會發(fā)現(xiàn)，不同系統(tǒng)元件所需的不同電壓和電流水平?jīng)Q定了其復(fù)雜性。圖 2 顯示了電源架構(gòu)的一小部分。120VAC/230VAC 主電源初使用工業(yè)電源模塊降壓至標(biāo)準(zhǔn) 12VDC 或 24VDC 系統(tǒng)背板電源。在系統(tǒng)級，該背板電壓進一步降低至各個組件所需的較低電壓水平。

　

　　例如，PLC可以包括微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。這些器件需要 5V 至 1V 的電壓。然而，整個 PLC 可能需要高達(dá) 3.5A 的電流。同樣，多通道模擬 I/O 模塊需要 ±15V 和 5V 電源來為其各種放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和電流高達(dá) 500mA 的多路復(fù)用器 (MUX) 供電。
　　讓事情變得更復(fù)雜的是，設(shè)計人員需要考慮瞬態(tài)電壓尖峰（“過壓”），瞬態(tài)電壓尖峰（“過壓”）會通過配電網(wǎng)絡(luò)雷擊等事件或共享電源的重負(fù)載快速切換而影響主電源。與工業(yè)自動化系統(tǒng)相同的電源電路。電壓尖峰也可能出現(xiàn)在電源架構(gòu)本身內(nèi)，例如，當(dāng)電源模塊將電源電壓降低至 12VDC 或 24VDC 時，特別是在使用開關(guān)模式類型設(shè)備時。
　　這些過壓現(xiàn)象非常常見，國際電化學(xué)委員會 (IEC) 等組織建議工程師設(shè)計能夠承受這些過壓的系統(tǒng)。例如，涉及低壓（1kVAC 和 1.5kVDC）系統(tǒng)中絕緣協(xié)調(diào)的 IEC 60664 指出，由市電 24VDC 供電的“II 類”設(shè)備（包括用于工業(yè)自動化的設(shè)備類型）電源的設(shè)計應(yīng)能夠承受高達(dá) 60V 的過壓。
　　DC-DC 電壓調(diào)節(jié)的基本原理
　　DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換（或“調(diào)節(jié)”）是一項大業(yè)務(wù)，半導(dǎo)體供應(yīng)商已投入大量資金來開發(fā)適用于所有應(yīng)用的各種產(chǎn)品。器件分為兩類：低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，也稱為線性穩(wěn)壓器；和開關(guān)穩(wěn)壓器。
　　當(dāng)仔細(xì)匹配應(yīng)用的工作特性時，與 LDO 相比，開關(guān)穩(wěn)壓器在寬輸入電壓范圍內(nèi)通常效率更高。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松升壓（“升壓”）、降壓（“降壓”）和反轉(zhuǎn)電壓。（請注意，工業(yè)自動化系統(tǒng)電源的某些部分需要電壓反轉(zhuǎn)。）相比之下，LDO 只能降壓。
　　與簡單易用的 LDO 相比，開關(guān)穩(wěn)壓器有一個缺點：穩(wěn)壓器的設(shè)計更為復(fù)雜。發(fā)生這種情況是因為需要輸出濾波來衰減高頻開關(guān)操作產(chǎn)生的電壓和電流紋波。這會給敏感芯片帶來問題并產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。盡管如此，設(shè)計許多當(dāng)代應(yīng)用的工程師越來越青睞開關(guān)穩(wěn)壓器。
　　開關(guān)穩(wěn)壓器工作的關(guān)鍵是使用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）作為開關(guān)器件。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時，電流流向負(fù)載和存儲能量的外部電感器。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時，電感器將其存儲的能量提供給負(fù)載。
　　脈寬調(diào)制（PWM）通常用于控制輸出電壓。頻率保持恒定，并調(diào)整脈沖寬度（“接通時間”）以提供所需的電壓。電壓調(diào)節(jié)器的高頻開關(guān)限制了系統(tǒng)中的損耗，同時在一定范圍的輸入和負(fù)載下保持相對穩(wěn)定的電壓輸出。
　　在異步拓?fù)溟_關(guān)穩(wěn)壓器中（圖 3），存儲在電感器中然后在 MOSFET 關(guān)斷周期期間傳遞到負(fù)載的能量不會直接流向負(fù)載。相反，它通過外部肖特基二極管傳輸。如果根據(jù)預(yù)期負(fù)載選擇電感器，開關(guān)穩(wěn)壓器將工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，從而提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓。

　　

　　此類開關(guān)穩(wěn)壓器的終效率主要由兩個因素決定：外部肖特基二極管的正向壓降和器件的反向漏電流特性?，F(xiàn)代器件中的正向壓降已接近 0.3V 左右的極限。這聽起來不多，但它確實會導(dǎo)致設(shè)備持續(xù)消耗并降低效率。
　　用 MOSFET 代替肖特基二極管可以提高效率，因為可以使用先進的制造技術(shù)降低晶體管的導(dǎo)通電阻 (RON)，使其正向電壓（從而損耗）低于原始二極管。該電路中兩個 MOSFET 的操作必須同步，其中一個導(dǎo)通，另一個截止。（見圖 4。）

　　

　　所謂同步調(diào)節(jié)器的第二個 MOSFET 可以集成到該模塊中。除了消除外部肖特基二極管之外，這還簡化了電路設(shè)計并減少了材料清單 (BOM)。
　　同步調(diào)節(jié)器設(shè)計的一個副作用是，由于兩個 MOSFET 的開關(guān)操作，電流在電感器中雙向流動（即，使電感器損耗加倍）。這與異步類型中的單方向流進行比較。同步穩(wěn)壓器中的損耗通常很小，但在較低負(fù)載下可能會變得更加嚴(yán)重，此時器件的效率可能低于等效的異步類型。
　　主要半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)使用多種技術(shù)解決了這個缺陷。例如，Maxim Integrated 推出了一系列高壓同步穩(wěn)壓器，如 MAX17503，具有 MODE 功能，可用于以三種可選工作模式操作器件：PWM、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。PWM 用于正常操作。PFM 通過消除反向電感電流和跳過脈沖來提高較低負(fù)載下的效率。DCM 還消除了反向電感電流，以在較低負(fù)載下提高效率，但不會跳過脈沖。這使得 DCM 適用于頻率敏感的應(yīng)用。
　　總結(jié)
　　高電壓、高輸出電流同步穩(wěn)壓器滿足工業(yè)自動化對緊湊、高效且易于設(shè)計的電源模塊的需求。造成工業(yè)電力困境的因素有很多，但現(xiàn)在已經(jīng)有了滿足所有需求的高壓同步穩(wěn)壓器架構(gòu)。盡管目前合適組件的選擇有限，但范圍不斷擴大，以覆蓋典型系統(tǒng)的所有 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換要求，功率輸出范圍從幾百毫安到幾安培。在第 2 部分中，我們將討論同步穩(wěn)壓器的新創(chuàng)新如何幫助解決電源困境。