可編程邏輯控制器（PLC）是一種工業(yè)計算系統(tǒng)。它控制裝配線和其他工廠自動化設備上的制造過程，這些設備需要高度可靠的控制方法和故障診斷。PLC 系統(tǒng)包括模擬和數(shù)字輸入和輸出模塊、通信模塊、中央處理器 （CPU） 模塊、控制模塊和電源。PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運行，在設計非隔離負載點電源解決方案時需要特別注意。設計人員必須考慮負載點總線架構(gòu)、線路電壓瞬變、熱限制、隔離噪聲問題、尺寸限制和處理器電壓精度問題。

負載點體系結(jié)構(gòu)注意事項

PLC 受益于 DC/DC 負載點電源解決方案，該解決方案支持高級模擬和數(shù)字集成電路的需求，提供高效率和良好的熱性能，并減少整體組件數(shù)量和成本。負載點策略可能會有所不同，但 PLC 通常具有 24V直流（或偶爾使用 12V直流） 來自電源的輸入。然而，線路電壓容易受到來自電機或繼電器的輸入電壓瞬變的影響，從而導致電壓尖峰過大，從而損壞系統(tǒng)。

在幾乎所有情況下，5V和3.3V電源軌都用作來自24V或12V電源的次級穩(wěn)壓軌，為低壓子系統(tǒng)供電。在以高于1MHz的頻率進行開關的同時，很難調(diào)節(jié)具有24V輸入的1V電源軌，但仍保持較小的外形尺寸。如公式1所示，為了從24V輸入調(diào)節(jié)1V（占空比為4.2%），當開關頻率為1MHz時，DC/DC轉(zhuǎn)換器的最小可控導通時間必須低于40ns，以避免噪聲脈沖跳躍。

最小可控導通時間 = 占空比 / 開關頻率 （1）

線路電壓瞬變

線路電壓瞬變可能來自系統(tǒng)中的電機和繼電器，并導致輸入電壓線路上的電壓尖峰過大。由于PLC用于可能有電機或其他感性負載和回路的工廠車間，因此它們?nèi)菀资艿骄€路瞬態(tài)尖峰的影響。圖1顯示了一個線路電壓瞬變示例，該瞬變可能持續(xù)時間較短，但在沒有適當保護的情況下會嚴重損壞PLC內(nèi)部的電路。

保護或箝位電路（如圖2所示）可以保護負載免受電壓尖峰的影響。二極管D2設置箝位電壓，調(diào)整場效應晶體管（FET）使電流流向負載保護。不幸的是，這些電路占用空間并需要額外的組件。實施電子保險絲（如TPS2660系列）還可提供高達 60V 的保護，并且比圖 2 中的分立電路更容易實現(xiàn)。電子保險絲還可以提供 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常不提供的輸入反向電壓保護。集成FET的非隔離式同步降壓轉(zhuǎn)換器的額定電壓高達100V，以保護下游電路。

熱限制和功率預算

PLC通常封閉在機柜中，其中氣流受到限制或不可用。在許多情況下，由于灰塵、腐蝕性元素或其他材料限制的存在，無法使用冷卻風扇。在過大的熱應力下，系統(tǒng)的長期可靠性會降低。

因此，降低負載點電源解決方案的功耗將增加模塊的功率預算，并使PLC在市場上獨樹一幟。額外的可用功率還支持更快的微處理器時鐘速度、更精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和額外的內(nèi)存，以提高競爭對手的性能。

以峰值效率運行 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是最大限度地降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率金屬氧化物半導體 FET （MOSFET） 的導通和開關損耗的絕佳方法。表1顯示了降額至0.5A的2A轉(zhuǎn)換器設計與使用WEBENCH電源設計器的0.5A轉(zhuǎn)換器相比的效率。顯然，0.5A 轉(zhuǎn)換器的較小 MOSFET 可實現(xiàn)更小的封裝尺寸，而較高的頻率允許使用更小的無源元件來實現(xiàn)更小的解決方案尺寸。但是，2A轉(zhuǎn)換器在0.5A下使用時可節(jié)省140mW的能量，從而在氣流有限或功率預算受限的應用中最大限度地提高效率并改善熱性能。

表 1：5V 輸入、1.8V 輸出、0.5A 比較

圖3顯示了如何進一步優(yōu)化2A轉(zhuǎn)換器的效率。曲線拐點處的峰值效率約為93%，約為0.5A，這是開關損耗和傳導損耗之間的最佳點。

隔離以提高電氣抗擾度

PLC使用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如RS-485，但也可以使用其他通信協(xié)議，如Profibus，Profinet或以太網(wǎng)。由于多種非標準化接地技術(shù)，遠程電源可能會遇到較大的接地電位差，從而導致多個接地路徑和環(huán)路。接地環(huán)路電流可能非常高，因為它們通過低阻抗接線連接不同的接地電位。

通過電氣隔離斷開接地環(huán)路不僅可以防止環(huán)路電流，而且是解決高接地電位差的最可靠方法。電流隔離允許從輸入側(cè)以地為基準的輸入獨立于輸出側(cè)的接地，從而顯著增強共模抑制并改善噪聲性能。電路板上有一個與潛在噪聲接地“隔離”的區(qū)域非常重要，最流行的技術(shù)是通過隔離柵實現(xiàn) 5V 輸入到 5V 輸出。

有幾種方法可以使用變壓器創(chuàng)建隔離柵。圖4所示的推挽式變壓器驅(qū)動器的工作占空比為50%，因此變壓器線圈必須相應地設計以適應特定的輸入和輸出電壓。推挽電路也運行開環(huán)，因此沒有反饋機制。在某些情況下，次級側(cè)的線性穩(wěn)壓器將提供更好的輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖5所示的反激式降壓穩(wěn)壓器也稱為非對稱半橋，具有與標準降壓穩(wěn)壓器相同的傳遞函數(shù)，但使用類似于反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器。降壓穩(wěn)壓器的電感電容使用C1作為輸出大容量電容，隔離變壓器的初級側(cè)使用T1。輸出電壓反射到次級側(cè)，由變壓器的匝數(shù)比得出。R1和R2設置半橋的占空比，從而可以更靈活地選擇現(xiàn)成的變壓器匝數(shù)比以適應輸入和輸出電壓。

飛式降壓的頻率可通過 RT 引腳進行調(diào)節(jié)，并可同步至寬開關頻率范圍。飛降壓限制在約2W，因為流過次級側(cè)二極管的高電流會因損耗而限制調(diào)節(jié)。這兩種拓撲都不需要光耦合器。飛降壓器集成了初級側(cè)反饋，以實現(xiàn)磁性元件的靈活性。為了獲得更高的效率、更大的輸出電流和更好的調(diào)節(jié)精度，飛降轉(zhuǎn)換器是比圖4所示的推挽式變壓器驅(qū)動器更好的選擇。

電壓調(diào)節(jié)精度

隨著工藝技術(shù)的進步，現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）、微控制器和專用集成電路 （ASIC） 對其內(nèi)核電源軌要求更高的電壓精度和更低的工作電壓。處理器的數(shù)據(jù)手冊可以以百分比或毫伏為單位指定電壓容差，其中包括整個工作溫度范圍內(nèi)的直流、交流和紋波變化。設計人員還必須考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用的電阻分壓器的容差;電路板的布線和走線損耗;以及應用的變化，如輸入電壓變化、溫度波動和快速負載變化。這些因素都有助于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的精度。許多設計人員需要裕量或裕量，以確保解決方案始終在處理器的公差預期范圍內(nèi)。新的高級處理器要求在所有條件下內(nèi)核電壓容差在 +/- 3% 以內(nèi)，這要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有非常精確的基準電壓。

在數(shù)據(jù)手冊中檢查DC/DC轉(zhuǎn)換器的初始反饋電壓精度非常重要。表 2 顯示了 TPS54218 的穩(wěn)壓反饋電壓規(guī)格，TPS54218 是一款 2A 轉(zhuǎn)換器，在輸入電壓和溫度變化范圍內(nèi)具有 ±8mV 或 ±1% 的基準精度。選擇容差更嚴格的電阻可提高總輸出電壓精度。如需更多裕量，請選擇 0.1% 或 0.5% 電阻器 [1]，即使它們的成本可能更高一些。通過增加裕量，可以滿足總±3%或±5%的輸出電壓變化，同時減小大容量和旁路電容。

表 2：TPS54218 數(shù)據(jù)手冊中所示的反饋電壓調(diào)節(jié)

將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器放置在盡可能靠近負載的位置。布局限制、連接器和電路板密度要求可能會干擾負載的電壓精度。具有遠程感應功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有助于補償從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到負載的大壓降。

解決方案尺寸

為了保持整個DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案的小型化，可以集成或優(yōu)化任何外部組件。非隔離電源模塊因其高集成度和易用性，以及優(yōu)化電感以占用更少空間的能力而變得越來越流行。與分立式解決方案相比，電源模塊通常設計為實現(xiàn)更小的整體解決方案尺寸。當節(jié)省電路板空間比總系統(tǒng)效率更重要時，具有高開關頻率的電源模塊可能是比分立解決方案更好的選擇。

表 3 比較了使用 WEBENCH 電源設計器計算相同工作條件下解決方案尺寸和成本的分立式和模塊負載點解決方案。電源模塊占用的電路板面積不到分立解決方案的一半，但僅增加了解決方案總成本的25%左右，在本例中為0.45美元。證明模塊的使用合理性取決于節(jié)省空間的重要性，甚至在較低的產(chǎn)量下也可能是經(jīng)濟的。

表 3：分立式與模塊解決方案比較

總結(jié)

PLC 在惡劣、惡劣的制造環(huán)境中運行，在設計負載點電源解決方案時需要特別注意。在創(chuàng)建高性能和可靠的產(chǎn)品時，線路電壓瞬變、接地環(huán)路電流、熱預算和為處理器供電等挑戰(zhàn)很容易管理。