현대 생산 라인에서는 수많은 센서, 작동기 및 PLC 모듈이 사용되므로 크기가 작고 매우 효율적인 전력 공급이 필요합니다. 이 문서에서는 소형 부하 지점(POL) 전압 조정기로 분산 처리 모듈에 전력을 공급하는 스마트 공장 자동화 동향에 대해 자세히 알아봅니다.
제조 기술의 자동화 및 데이터 교환 관련 발전 덕분에 많은 산업에서 스마트 공장 비전이 현실이 되었습니다. 공장은 제어기, 센서, I/O 및 작동기로 가득합니다. 제어기는 프로그래밍 가능 논리 제어기(PLC, 그림 1), 모터/모션 제어기 또는 고급 프로세서 및 마이크로컨트롤러를 사용하는 분산 제어 시스템(DCS)일 수 있습니다. 센서는 디지털 또는 아날로그일 수 있으며 근접도, 시야, 무게 또는 온도 관련 용도로 사용됩니다. 작동기는 로봇, 밸브, 모터, 컴퓨터 수치 제어(CNC), 접촉기 및 기타 이동 메커니즘일 수 있습니다. 입력 및 출력(I/O)은 디지털 또는 아날로그일 수 있으며, 센서 및 작동기를 제어기에 연결하는 범용 I/O일 수도 있습니다.
그림 1. 프로그래밍 가능 논리 제어기 모듈.
그림 2는 단일 제조 프로세스를 모니터링하고 제어하는 PLC 또는 산업 컴퓨터를 보여 줍니다. 여기에는 프로세서, 입출력 모듈, 메모리/프로그래밍, 전력 공급이 포함됩니다. 24V 필드 버스는 플라이백 변환기로 5V로 벅다운되며, 이 변환기는 PLC 모듈을 혹독한 산업 전기 환경에서 격리하는 변압기 기반 아키텍처입니다. 플라이백 출력은 POL 전압 조정기를 통해 필요 PLC 전압 레일로 하향 변환됩니다. PLC 및 기타 제어 시스템은 SCADA(감독 제어 및 데이터 수집)와 같은 소프트웨어 패키지로 오케스트레이션되어 여러 인터페이스 및 주변 장치를 모니터링하고 제어합니다.
그림 2. 프로그래밍 가능 논리 제어기 모듈.
PLC는 공장의 센서로부터 입력을 수신하여 국지적으로 처리하고 적절한 작동기를 구동합니다. 오늘날의 센서, I/O 및 작동기에는 내부 프로세서가 장착되어 있어 제어기까지 상향할 필요 없이 국지적으로 간단한 결정을 내릴 수 있기 때문에 처리량이 향상됩니다. 여러 기기를 고려해야 하는 경우가 아닌 이상 PLC도 개입하지 않습니다. 모든 장비에서 생성된 데이터를 클라우드로 네트워킹함으로써 고급 AI 기술을 사용해 실시간으로 분석을 실행하여 수행할 조치를 결정할 수 있습니다.
과제
프로세서 및 연결 인터페이스를 공장의 모든 제어기, 센서, I/O 및 작동기로 확장하려면 시스템 하드웨어가 새로운 요구 사항을 충족해야 합니다. 즉, 동일한 섀시에 추가 전자 제품을 배치할 수 있도록 부품 크기가 작아져야 하고, 동일하거나 더 낮은 열 예산으로 작업을 수행할 수 있도록 에너지 효율이 개선되어야 하고, 가동 정지를 줄일 수 있도록 전기/기계 안전 및 신뢰성이 향상되어야 합니다.
PLC에 전력을 공급하는 전압 조정기에 모듈 접근 방식(인덕터를 IC 상단에 수직으로 장착)을 접목하면 솔루션 BOM 및 설치 공간이 축소되고 신뢰성이 향상되며 출시 소요 시간이 단축됩니다. 전압 조정기 모듈의 POL 또한 효율이 우수해야 열 발생을 줄여 시스템 신뢰성을 한층 더 높일 수 있습니다.
이 디자인 솔루션에서는 PLC에 전력을 공급하는 일반적인 모듈 접근 방식을 검토한 후 효율 및 크기 면에서 비용 효율적이고 더 우수한 새로운 솔루션을 제시합니다.
일반적인 POL 모듈
일반적인 동기 5VIN, 1A 전환 조정기 모듈의 PCB 레이아웃이 그림 3에 표시되어 있습니다. 인덕터를 고립시킨 결과 설치 공간이 16.6mm2로 줄었습니다.
그림 3. 전환 조정기 모듈의 일반적인 솔루션 순 면적은 16.6mm2입니다.
uSLIC POL 모듈
그림 4의 uSLICTM 모듈은 최대 1A의 부하 전류를 지원하며, 이를 통해 크기가 작고 비용이 적게 드는 입력 및 출력 커패시터를 사용할 수 있습니다. 모듈 사이즈 감소(2.6mm x 2.1mm2 대 2.6 x 3mm2) 및 BOM 축소(부품 5개 대 부품 4개 및 더 작은 크기)로 비용 효율적인 솔루션과 11.8mm2의 설치 공간 순 면적(일반적인 솔루션 대비 29% 작음)을 실현합니다.
그림 4. using a uSLIC POL 모듈을 사용하여 솔루션 순 면적이 11.8mm2로 개선.
출력 전압은 0.8V에서 3.3V로 조정할 수 있습니다. 이 모듈은 설계 복잡성과 제조 위험을 대폭 줄여 주며 진정한 플러그 앤 플레이 전력 공급 솔루션을 제시하여 전반적인 출시 소요 시간을 단축합니다.
효율 장점
Figure 5에서는 두 솔루션의 효율을 비교합니다. 일반 솔루션(빨간색 곡선)은 낮은 부하에서는 효율이 급격하게 떨어지고 전체 부하에서는 거의 3% 포인트 떨어지므로 이상적이지 않습니다.
uSLIC 모듈(녹색 곡선)은 전제 작동 범위에서 효율이 높기 때문에 라인 전력 공급 응용 분야와 전력이 적은 배터리 구동 응용 분야 모두에 적합합니다.
그림 5. uSLIC 모듈과 경쟁 제품의 효율 비교.
결론
스마트 공장은 공장 전역에 배치된 수많은 센서 및 작동기에 기초합니다. 정보는 PLC 모듈로 처리되며 이 모듈에는 전압 조정기 POL로 전력이 공급됩니다. POL에 모듈식 접근 방식을 접목하면 시스템 BOM을 축소하고 신뢰성을 향상하며 출시 소요 시간을 단축할 수 있습니다. 이 디자인 솔루션에서는 일반적인 POL을 검토한 후 더 작고 효율이 더 우수하며 더 비용 효율적인 모듈을 실현하는 새로운 접근 방식과 이를 비교했습니다.