Nelle moderne linee di produzione la moltitudine di sensori, attuatori e moduli PLC richiedono alimentatori compatti e altamente efficienti. In questo articolo, scoprirai la tendenza dell'automazione delle fabbriche intelligenti di alimentare i moduli di elaborazione distribuita con piccoli regolatori di tensione nel punto di carico (POL, Point of Load).
La visione della fabbrica intelligente è una realtà in molti settori, grazie ai progressi compiuti nell'automazione e nello scambio di dati nelle tecnologie di produzione. Le fabbriche sono piene di controller, sensori, I/O e attuatori. Un controller può essere logico programmabile (PLC, Figura 1), di motore/movimento o un sistema di controllo distribuito (DCS) che utilizza processori e microcontroller avanzati. I sensori possono essere digitali o analogici ed essere utilizzati per la prossimità, la visione, il peso o la temperatura. Gli attuatori possono essere robot, valvole, motori, controlli numerici computerizzati (CNC), contattori e altri meccanismi mobili. Gli ingressi e le uscite (I/O) possono essere digitali o analogici o persino I/O universali che collegano sensori e attuatori ai controller.
Figura 1. Modulo di controller logico programmabile.
Nella Figura 2 è mostrato un PLC o un computer industriale che monitora e controlla un singolo processo di produzione. Include un processore, moduli I/O, memoria/programmazione e un alimentatore. Il bus di campo da 24 V viene ridotto a 5 V con un convertitore flyback, un'architettura basata su un trasformatore che isola il modulo PLC dal difficile ambiente elettrico industriale. L'uscita del flyback viene abbassata alla tensione necessaria per il PLC da un regolatore di tensione POL. I PLC e altri sistemi di controllo sono orchestrati da pacchetti software come SCADA (controllo di supervisione e acquisizione dati) che monitorano e controllano molteplici interfacce e periferiche.
Figura 2. Modulo di controller logico programmabile.
Il PLC riceve gli input dai sensori situati in fabbrica, li elabora localmente e pilota gli attuatori appropriati. Gli odierni sensori, I/O e attuatori sono dotati di processori interni che prendono semplici decisioni a livello locale senza la necessità di passare al controller, migliorando così la produttività. A meno che non sia necessario considerare più dispositivi, il PLC non è nemmeno coinvolto. Collegando in rete al cloud i dati generati da tutte le apparecchiature, le analisi possono essere eseguite in tempo reale utilizzando i progressi dell'IA per determinare l'azione da intraprendere.
La sfida
La proliferazione di processori e interfacce di connettività in ogni tutti i controller, sensori, I/O e attuatori in fabbrica, pone nuovi requisiti sull'hardware del sistema: ridimensionamento dei componenti per ospitare componenti elettronici aggiuntivi nello stesso chassis, maggiore efficienza energetica per operare con un budget termico identico o inferiore e maggiore sicurezza e affidabilità elettrica/meccanica per ridurre i tempi di inattività.
Un approccio modulare a un regolatore di tensione che alimenta il PLC, dove l'induttore è montato verticalmente nella parte superiore dell'IC, riduce la BOM della soluzione e l'ingombro e migliora l'affidabilità e il time-to-market. Il POL del modulo regolatore di tensione deve anche essere efficiente per ridurre la generazione di calore, migliorando ulteriormente l'affidabilità del sistema.
In questa soluzione progettuale, esaminiamo un tipico approccio modulare per l'alimentazione del PLC e presentiamo una nuova soluzione economicamente vantaggiosa e superiore in termini di efficienza e dimensioni.
Tipico modulo POL
Un layout PCB per un tipico modulo regolatore di commutazione sincrono 5VIN, 1A è mostrato nella Figura 3. Il contenimento dell'induttore si traduce in un ingombro ridotto di 16,6 mm2.
Figura 3. Area netta tipica di una soluzione da 16,6 mm2 per un modulo regolatore di commutazione.
Modulo uSLIC POL
Il modulo uSLICTM nella Figura 4 supporta fino a 1 A di corrente di carico e consente l'uso di piccoli condensatori di ingresso e di uscita a basso costo. Le dimensioni ridotte del modulo (2,6 mm x 2,1 mm2 rispetto a 2,6 x 3 mm2) e una BOM ridotta (5 componenti rispetto a 4 e con dimensioni inferiori) si traducono in una soluzione conveniente e un'area netta di ingombro di 11,8 mm2, ovvero il 29 % in meno rispetto alla soluzione tipica.
Figura 4. Area netta della soluzione migliorata da 11,8 mm2 utilizzando un modulo uSLIC POL.
La tensione d'uscita può essere regolata da 0,8 V a 3,3 V. Il modulo riduce drasticamente la complessità della progettazione e i rischi di produzione e offre una vera soluzione di alimentazione plug-and-play, riducendo il time-to-market complessivo.
Vantaggi in termini di efficienza
Nella Figura 5 viene confrontata l'efficienza delle due soluzioni. La soluzione generica (curva rossa) ha minore capacità a carico leggero, dove l'efficienza diminuisce drasticamente e, a pieno carico, non raggiunge il 3 %.
Il modulo uSLIC mostra un'elevata efficienza nell'intero intervallo operativo (curva verde), il che lo rende ideale per applicazioni alimentate elettricamente o a batteria a basso consumo energetico.
Figura 5. Confronto dell'efficienza tra il modulo uSLIC e la concorrenza.
Conclusione
La fabbrica intelligente si basa su una gamma vastissima di sensori e attuatori posizionati in tutta la fabbrica. Le informazioni vengono elaborate da moduli PLC alimentati da regolatori di tensione POL. Un approccio modulare al POL riduce la BOM del sistema e migliora l'affidabilità e il time-to-market. In questa soluzione progettuale, abbiamo esaminato un POL tipico e lo abbiamo confrontato con un nuovo approccio che si traduce in un modulo più piccolo, più efficiente e più conveniente.