工业用DC-DC转换电源关键技术

工业自动化系统设计具有独特的挑战性。实际上，这涉及到相互矛盾的需求。随着内部系统组件的低成本、模块化机架式的引入，例如可编程逻辑控制器(PLC)模块和I/O模块，给工程师及解决方案带来了严格的空间及散热限制。加上还需要在多尘、潮湿以及振动等恶劣环境下高可靠性地工作，使这一挑战更加严峻。文章来源：http://www.igbt8.com/bl/205.html
同时，客户希望自动化系统功能一代比一代强，并且功耗、设备尺寸、发热及成本不能发生相应增长。增强功能性通常以电子技术的进步为基础，但往往带来成本增长：功率容限有限，电压种类增加，而且要求供电系统不太好的情况下必须保持稳定。
然而，工程师却不希望将宝贵的项目时间用于设计不会引起客户注意、并且往往被认为是浪费宝贵资源的电源。相反，工程师更情愿专注于能够将自身的自动化系统于竞争对手的有明显区别事情。
半导体厂商通过采用在单片器件中集成电源的许多关键功能的模块，迎合了工业自动化系统设计者的矛盾性需求。然而，这些为工业自动化系统使用的电源模块无论是12v、24v或48VDC，必须采用电压箝位进行保护或使用异步开关技术才能承受市电电源的电压尖峰脉冲的冲击。这两种方案都会造成电源系统体积较大、成本较高且效率较低——这正是系统工程师需要竭力避免的。
但现在有了新一代电源器件，采用最新的硅制造工艺，有助于创新的芯片设计。现在，新型电源采用同步开关技术，但可承受高达60V的电压尖峰脉冲，高达3.5A电流，这在以前是不可想象的。这些能力提高了效率，进而降低发热和功耗，减小元件的引脚数，外部要用分立式元件很少，使工业自动化系统电源的设计变得简单。
工业控制架构
尽管24VDC已经成为工业控制应用(尤其是采用PLC的应用)中的事实标准电压，但12VDC也很常见，通常作为电池备份电压或由替代能源提供，例如光伏(PV)板。最近以太网供电(PoE)的引入也促使工业自动化厂商设计采用该标准所支持的48VDC电源供电设备。
图1所示为采用24VDC电源的典型工业控制系统，系统包括用于接收传感器信息或向执行器发送指令的I/O模块、多通道数字输入、多通道模拟输入和输出、通信功能，以及通过数字总线连接的处理器(CPU)。PLC通常可增强计算能力。电源取自于市电，转换降压至24VDC，通过背板进行分配。 仔细观察系统的电源，将会发现由于不同的系统器件所需的电压和电流值不同，造成电源相当复杂。图2所示为电源架构的一小部分。首先利用工业电源模块将120VAC/230VAC市电转换降压至标准12VDC或24VDC作为系统背板电源。在系统中，进一步将该背板电压降压至某些元件所需的更低电压。
例如，PLC可能包括微处理器、数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)，这些器件要求的电压范围为5V至最低1V，而PLC作为一个整体则要求高达3.5A的电流。类似地，多通道模拟I/O模块要求±15V和5V电源，以支持其各种放大器、模/数转换器(ADC)和多路复用器(MUX)，电流高达500mA。  考虑一下略微复杂的情况，设计者需要考虑影响市电的瞬态电压尖峰(“过压”)；当配电网遭到雷击或与工业自动化系统共用市电线路的重负载快速投切时，就会发生这种现象。电压架构内部本身也会发生电压尖峰，例如当电源模块将市电降压至12VDC或24VDC时，尤其是当采用开关模式器件时。
由于这些过压事件很常见，所以诸如国际电工委员会(IEC)等组织建议工程师设计能够承受此类事件的系统。例如，关于低压(1kVAC及1.5kVDC)系统中绝缘配合的标准IEC 60664规定，由市电变压至24VDC电源供电的“CAT-II”类设备(其中包括工业自动化中使用的设备类型)应能够承受最高60V的过压。