現代の生産ラインでは、多数のセンサー、アクチュエータ、PLCモジュールに、コンパクトで高効率な電源が必要です。この記事では、小型のポイントオブロード (POL) 電圧レギュレータを使用して分散処理モジュールに電力を供給するスマート ファクトリー オートメーションのトレンドについて詳しく説明します。
製造技術における自動化とデータ交換の進歩により、スマート ファクトリーのビジョンは多くの業界で現実のものとなっています。工場のフロアには、コントローラー、センサー、I/O、アクチュエーターが多数設置されています。コントローラには、プログラマブル ロジック コントローラ (PLC、 図1)、モーター/モーション コントローラ、または高度なプロセッサとマイクロコントローラを使用する分散制御システム (DCS) などがあります。センサーはデジタルまたはアナログのいずれかであり、近接、視覚、重量、温度などに使用されます。アクチュエータには、ロボット、バルブ、モーター、コンピュータ数値制御 (CNC)、コンタクタ、その他の移動機構などがあります。入力と出力 (I/O) は、デジタルまたはアナログ、あるいはセンサーとアクチュエータをコントローラに接続するユニバーサルI/Oにすることができます。
図1。プログラマブル ロジック コントローラ モジュール。
図2 は、単一の製造プロセスを監視および制御するPLCまたは産業用コンピュータを示しています。プロセッサ、I/Oモジュール、メモリ/プログラミング、電源が含まれています。24Vフィールド バスは、PLCモジュールを過酷な産業電気環境から分離するトランスベースのアーキテクチャであるフライバック コンバータによって5Vに降圧されます。フライバック出力は、POL電圧レギュレータによって必要なPLC電圧レールに変換されます。PLCやその他の制御システムは、SCADA (監視制御およびデータ収集) などのソフトウェア パッケージによって調整され、複数のインターフェイスと周辺機器を監視および制御します。
図2。プログラマブル ロジック コントローラ モジュール。
PLCは工場のフロアにあるセンサーからの入力を受け取り、それをローカルで処理し、適切なアクチュエータを駆動します。今日のセンサー、I/O、アクチュエータには、コントローラにエスカレーションすることなくローカルで簡単な決定を下す内部プロセッサが搭載されており、スループットが向上します。複数のデバイスを考慮する必要がない限り、PLCは関与しません。すべての機器によって生成されたデータをクラウドにネットワーク化することで、AIの進歩を利用してリアルタイムで分析を実行し、取るべきアクションを決定できます。
課題
工場のあらゆるコントローラ、センサー、I/O、アクチュエータにプロセッサと接続インターフェイスが普及したことにより、システム ハードウェアに新たな要件が生じています。つまり、同じシャーシに追加の電子機器を収めるためにコンポーネントのサイズを縮小し、同じまたはより低い熱予算内で動作するためにエネルギー効率を改善し、ダウンタイムを削減するために電気的/機械的な安全性と信頼性を向上させる必要があります。
PLCに電力を供給する電圧レギュレータへのモジュール アプローチでは、インダクタがICの上部に垂直に取り付けられているため、ソリューションのBOMとフットプリントが削減され、信頼性と市場投入までの時間が向上します。電圧レギュレータ モジュールのPOLも、発熱を抑えるために効率的である必要があり、システムの信頼性をさらに向上させます。
この設計ソリューションでは、PLCに電力を供給するための一般的なモジュール アプローチを確認し、コスト効率が高く、効率とサイズに優れた新しいソリューションを紹介します。
一般的なPOLモジュール
典型的な同期5VIN、1AスイッチングレギュレータモジュールのPCBレイアウトを図に示します。 図3。インダクタを内蔵することでフットプリントが16.6mm2に縮小されました。
図3。スイッチング レギュレータ モジュールの標準的なソリューションの正味面積は16.6mm2 です。
uSLIC POLモジュール
図4のuSLICTM モジュールは、最大1Aの負荷電流をサポートし、小型で低コストの入力コンデンサと出力コンデンサを使用できます。 モジュール サイズの縮小 (2.6mm x 2.1mm2 対2.6 x 3mm2) とBOMの削減 (コンポーネント数5対4、サイズも小型化) により、コスト効率の高いソリューションと、フットプリントの正味面積11.8mm2 (一般的なソリューションより29% 小さい) が実現します。
図4。uSLIC POLモジュールを使用してソリューションのネット面積を11.8mm2に改善しました。
出力電圧は0.8V～3.3Vまで調整可能です。このモジュールは、設計の複雑さと製造リスクを大幅に軽減し、真のプラグアンドプレイ電源ソリューションを提供するため、全体的な市場投入までの時間を短縮します。
効率性の利点
図5は2つのソリューションの効率を比較しています。一般的なソリューション (赤い曲線) は、軽負荷時には不十分で、効率が大幅に低下し、全負荷時には3% ポイントを下回ります。
uSLICモジュールは、動作範囲全体にわたって高い効率 (緑の曲線) を備えているため、ライン電源アプリケーションだけでなく、電力を節約するバッテリ駆動アプリケーションにも最適です。
図5。uSLICモジュールと競合製品の効率比較。
結論
スマート ファクトリーは、工場のフロア全体に配置された多数のセンサーとアクチュエータに依存しています。情報は、電圧レギュレータPOLによって電力が供給されるPLCモジュールによって処理されます。POLへのモジュール式アプローチにより、システムBOMが削減され、信頼性と市場投入までの時間が向上します。この設計ソリューションでは、一般的なPOLを検討し、より小型で効率が高く、コスト効率に優れたモジュールを生み出す新しいアプローチと比較しました。