In modernen Produktionslinien werden für die Vielzahl von Sensoren, Betätigern und PLC-Modulen Spannungsversorgungen benötigt, die kompakt und hocheffizient sind. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über den Trend der Smart Factory Automation zur Spannungsversorgung von Modulen zur verteilten Verarbeitung, sogenannte Distributed-Processing-Module, mit kleinen Lastpunkt-Spannungsreglern (POL-Regler).
Die Vision der „intelligenten Fabrik” (engl.: Smart Factory) ist in vielen Branchen dank der Fortschritte in der Automatisierung und dem Datenaustausch in der Fertigungstechnik bereits Realität. Fabrikhallen sind voller Controller, Sensoren, E/A und Betätiger. Ein Controller kann ein programmierbarer Logik-Controller (PLC, Abbildung 1), ein Motor-/Bewegungs-Controller oder ein dezentrales Steuerungssystem (Distributed Control System, DCS) sein, das modernste Prozessoren und Mikrocontroller verwendet. Sensoren können entweder digital oder analog sein und für Näherung, Vision bzw. Bildverarbeitung, Gewicht oder Temperatur verwendet werden. Betätiger können Roboter, Ventile, Motoren, CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control), Schütze und andere bewegliche Mechanismen sein. Eingänge und Ausgänge (E/A) können digital, analog oder sogar universelle E/A sein, die Sensoren und Betätiger mit Controllern verbinden.
Abbildung 1. Programmierbares Logik-Controller-Modul.
Abbildung 2 ist ein PLC oder ein Industriecomputer dargestellt, der einen einzelnen Fertigungsprozess überwacht und steuert. Er umfasst einen Prozessor, E/A-Module, Speicher/Programmierung und eine Spannungsversorgung. Der 24 V Feldbus wird mit dem Rücklaufkonverter, eine wandlerbasierte Architektur, die das PLC-Modul von der rauen industriellen elektrischen Umgebung isoliert, auf 5 V nach unten herabgesetzt (engl.: „bucked down”). Der Rücklaufausgang wird vom POL-Spannungsregler zur benötigten PLC-Spannungsschiene herunterkonvertiert. PLCs und andere Steuersysteme werden von Software-Paketen wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) orchestriert, die mehrere Schnittstellen und Peripheriegeräte überwachen und steuern.
Abbildung 2. Programmierbares Logik-Controller-Modul.
Der PLC empfängt in der Fabrikhalle Eingangssignale von Sensoren, verarbeitet diese lokal und treibt die entsprechenden Betätiger an. Moderne Sensoren, E/A und Betätiger sind mit internen Prozessoren ausgestattet, die lokal einfache Entscheidungen treffen, ohne dass zum Controller eskaliert werden muss, wodurch der Durchsatz verbessert wird. Der PLC ist gar nicht beteiligt, es sei denn, es sind mehrere Geräte zu berücksichtigen. Durch Vernetzung der von allen Geräten erzeugten Daten in die Cloud können unter Nutzung der Fortschritte in der KI Analysen in Echtzeit durchgeführt werden, um die zu ergreifenden Maßnahmen festzulegen.
Die Herausforderung
Die Ausbreitung von Prozessoren und Konnektivitäts-Schnittstellen in jedem Controller, Sensor, E/A und Betätiger in den Produktionsbereichen stellt neue Anforderungen an die System-Hardware: reduzierte Komponentengrößen passend für zusätzliche Elektronik im selben Chassis, verbesserte Energieeffizienz zur Erbringung von Leistung im gleichen oder einem geringeren thermischen Budget und erhöhte elektrische/mechanische Sicherheit und Zuverlässigkeit zur Reduzierung von Ausfallzeiten.
Ein Modul-Ansatz für einen Spannungsregler, der den PLC mit Spannung versorgt und bei dem der Induktor vertikal auf der Oberseite des IC befestigt ist, reduziert die Materialkosten (BOM) und die Grundfläche der Lösung, erhöht die Zuverlässigkeit und verkürzt die Markteinführungszeit. Der POL des Spannungsregler-Moduls muss auch effizient die Wärmeentwicklung reduzieren, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems weiter erhöht wird.
In dieser Designlösung bewerten wir einen typischen Modul-Ansatz für die Spannungsversorgung des PLC und stellen eine neue Lösung vor, die kostengünstig und bezüglich ihrer Effizienz und Größe überlegen ist.
Typisches POL-Modul
.-|Ein PCB-Layout für ein typisches 5VIN, 1A Spannungsregler-Modul ist in Abbildung 3 dargestellt. Durch die Begrenzung des Induktors ist die Grundfläche auf 16,6 mm2 reduziert.
Abbildung 3. Typische Nettofläche der Lösung von 16,6 mm2 für ein Spannungsregler-Modul.
uSLIC-POL-Modul
Das uSLICTM-Modul in Abbildung 4 unterstützt bis zu 1A Laststrom und erlaubt die Verwendung von kleinen, kostengünstigen Eingangs- und Ausgangskondensatoren. Eine reduzierte Modulgröße (2,6 mm x 2,1 mm2 ggü. 2,6 x 3 mm2) und reduzierte BOM (fünf Komponenten ggü. vier und in kleinerer Ausführung) ergibt eine kostengünstige Lösung und eine Nettogrundfläche von 11,8 mm2 bzw. 29 % kleiner als die typische Lösung.
Abbildung 4. Verbesserte Nettofläche der Lösung von 11,8 mm2 unter Verwendung eines uSLIC-POL-Moduls.
Die Ausgangsspannung ist von 0,8 V bis 3,3 V einstellbar. Durch das Modul werden die Komplexität der Ausführung und die Fertigungsrisiken deutlich reduziert und eine echte Plug-and-Play-Spannungsversorgungslösung bereitgestellt, was die Markteinführungszeit insgesamt reduziert.
Effizienzvorteil
Abbildung 5 vergleicht die Effizienz der beiden Lösungen. Die generische Lösung (rote Kurve) ist bei geringer Last unzureichend ausgelegt und die Effizienz fällt dramatisch ab. Bei voller Last bleibt sie drei Prozentpunkte zurück.
Das uSLIC-Modul hat über den gesamten Betriebsbereich hinweg eine hohe Effizienz (grüne Kurve) und ist daher ideal für netzbetriebene sowie für sparsame batteriebetriebene Anwendungen geeignet.
Abbildung 5. Effizienzvergleich zwischen dem uSLIC-Modul und Mitbewerbern.
Fazit
Die intelligente Fabrik setzt in den Produktionsbereichen auf eine Vielzahl von Sensoren und Betätigern. Die Informationen werden von PLC-Modulen verarbeitet, die von Spannungsregler-POLs mit Spannung versorgt werden. Ein modularer Ansatz für den POL reduziert die Materialkosten (BOM) des Systems, erhöht die Zuverlässigkeit und reduziert die Markteinführungszeit. In dieser Designlösung haben wir einen typischen POL bewertet und diesen mit einem neuen Ansatz verglichen, in dem ein Modul eingebracht wird, das kleiner ist, eine höhere Effizienz besitzt und kostengünstiger ist.