为24V+工业自动化系统设计效率超过90的20W-30W电源

介绍
工业自动化系统正在经历一场革命，以减少延迟和停机时间。这项被称为工业4.0的工作将在工厂内部增加更多的智能，从HMI面板和控制器到通信模块、执行器和传感器。
这场革命与网络革命类似，网络革命的智能从核心路由器增加到地铁、边缘，一直到最后一英里。通过将工厂处理智能分发到边缘（通过传感器和通信模块），可以更快地做出常规问题的决策，而不需要涉及主处理器（位于PLC中）。额外的智能必须在工厂车间使用相同或更少的空间，要求在更小的形式因素下增加产品的功能。
这种缩小的PCB尺寸强调了散热性。热管理选项，如散热器，被排除，因为板空间是溢价的。强制气流的风扇不能使用，因为密封的外壳可以防止灰尘和污染物进入。因此，电源解决方案必须非常高效，同时提供更高的电力和占用更小的区域。在这个电源设计解决方案中，我们将考虑到这些需求，同时我们审查20W-30W电源的可用选项，比较性能，并确定最佳解决方案。 
 
解决耗消耗问题
工业应用的特点是一个24V标称直流电压总线，在旧的模拟继电器中有其历史，并且仍然是事实上的工业标准。然而，对于非关键设备，工业应用的最大工作电压预计为36V-40V，而关键设备，如控制器、执行器和安全模块，必须支持60V（IEC 61131-2、60664-1和61508 SIL标准）。流行的输出电压是3.3V和5V，电流在小型传感器中的10 mA到运动控制、CNC和PLC应用中的10s安培不等。因此，显而易见的选择是什么。
 
控制应用是一种降压（降压）电压调压器。
HMI面板：人机界面显示面板，通常包含驱动控制按钮，可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）、计算机数控（CNC）
通信模块：数字和模拟I/O模块，使用程序线、控制器、设备网、设备网、Sercos III、I/O链路、以太网等标准。
执行器：电机，驱动器，运动控制，机器人传感器：压力，温度，接近，光，和各种其他传感器。
 
最常见的降压架构是非同步降压转换器，因为半导体制造商很容易为高压设计非同步降压调节器。在这种结构中，低侧整流二极管是在集成电路的外部。
对于24V输入和5V输出，降压转换器的工作占空比约为20%。这意味着内部高侧晶体管（图1中的T）只传导20%的时间。外部整流二极管(D)传导剩余80%的时间，占功耗的大部分。 
例如，在4A负载下，肖特基整流二极管，如B560C，显示出约0.64V的电压降。因此，在80%占空比时，传导损耗（满载时的主要损耗）近似等于（0.64V）×（4A）×（0.80）= 2W。 
另一方面，如果我们使用一个同步架构（图2），那么二极管将被一个作为同步整流器的低侧MOSFET所取代。我们可以权衡通过二极管的0.64V的下降与通过MOSFET晶体管的T2上电阻，R的下降ds（开启）.
 
 

图1。非同步降压转换器

 

在我们的例子中，MOSFET RJK0651DPB有一个Rds（开启）只有11mΩ，与一个包的大小类似于肖特基整流器。这导致相应的电压降仅为（11mΩ）×（4A）=44 mV，而功率损失仅为（0.044V）×（4A）×（0.80）=141 mW。 

MOSFET的功率损失大约比满负荷时的肖特基功率损失小14倍！显然，最小化功耗的逻辑方法是使用同步整流。

图2。同步降压转换器

为了最小化电源电路的整体尺寸，较新的同步整流集成电路应包括对任何频率和输出电压的内部补偿，而不需要一个大的输出电容器。它们还应该在高频下工作，以允许使用小型电感器和电容器

 图3。MAX17536 24VIN/5VOUT，4A同步整流降压转换器的典型应用电路

MAX17536与。一个基于已发布的规范的非同步解决方案如图4所示。对于这两种设备，测试条件分别为24V输入和5V，4A输出。正如预期的那样，Maxim的同步解决方案在整个负载电流范围内表现出更高的效率。在满载（4A）下，Maxim的同步解决方案的效率在92%以上，而非同步设备的效率只有86%左右，效率差异在6%以上。

图4。同步与非同步降压转换器的效率

结论

在工业应用中面临的功耗挑战时，使用MAX17536提出了一种在高输入电压下采用同步整流的解决方案。同步解决方案显示了一个明显的效率优势，减轻了功耗方面的挑战。

审核编辑 黄昊宇