Конструкция аналогового входного модуля plc dcs нарушает барьеры в канальной изоляции и высокой плотности

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Конструкция модуля аналогового входа PLC DCS нарушает барьеры в канальной изоляции и высокой плотности

Введение

В высокопроизводительных приложениях автоматизации производства, таких как газовые и нефтяные станции и электростанции, требования к низким EMI, малым размерам, высокой надежности и низкой стоимости особенно сложны для изолированных каналов от канала к каналу. По этой причине стандартная реализация модуля имеет плотность канала, которая, как правило, ограничена только четырьмя или восемью каналами, с только сотнями вольт изоляции канала к каналу.

В этой статье мы кратко рассмотрим вопрос о изоляции в модуле аналогового ввода управления процессом и традиционных подходах к достижению этого. Затем он описывает альтернативную высокоплотную, легкую в проектировании архитектуру аналогового входного модуля изоляции от канала к каналу. Включены результаты испытаний, которые показывают, что 16-канальный, среднеквадратичный среднеквадратичный демо-модуль изоляции от канала к каналу легко реализует стандарт изоляции EN55022, класс B.

Изоляция в модуле аналогового ввода управления процессом

Гальваническая изоляция - это принцип физического и электрического разделения двух цепей, так что прямой канал проводимости отсутствует, но данные и мощность все еще можно обменять. Обычно это достигается с помощью трансформаторов, оптронов или конденсаторов. Изоляция используется для защиты электрических цепей и людей, размыкания контуров заземления и улучшения характеристик синфазного напряжения и шумоподавления.

Обычно входы управления процессом либо изолированы от группы, либо изолированы от канала к каналу (см. Рис. 1). Для групповой изоляции несколько входных каналов объединяются вместе для совместного использования одного изолирующего барьера, включая изоляцию и изоляцию сигнала. Это экономит затраты на изоляцию канала от канала, но ограничивает разницу в частоте разрыва между каналами в группе, что означает, что все они должны быть размещены в одной и той же зоне. Изоляция канала к каналу, как и справа от рисунка 1, всегда благоприятна для повышения ее надежности. Тем не менее, он идет на гораздо более высокую цену за канал, поэтому этот компромисс должен быть тщательно оценен строителями плана.

Рисунок 1. Групповая изоляция и изоляция канала к каналу

При построении изоляции от канала к каналу каждому каналу требуется выделенная изоляция и изоляция сигнала. Изоляция является одним из ключевых ограничений для плотности входного модуля, EMI, стоимости и надежности. В современных конструкциях цифровой изолятор используется на канал для изоляции данных. Типичный цифровой изолятор, такой как ADuM141E, имел бы четыре изолированных канала данных в 16-выводном SOIC (6, 2 мм × 10 мм) корпусе. Однако для каждого канала требуется изолирование по напряжению, поэтому давайте обсудим три традиционных подхода к силовому отключению: многоканальный трансформатор, двухтактный дизайн и отдельные модули dc-to-dc.

На рисунке 2 показана архитектура обратной связи с обратной связью dc-to-dc с многоканальным трансформатором. Обратный преобразователь управляет трансформатором для генерации нескольких выходов на кранах. Это зрелая архитектура власти, но имеет шесть основных недостатков для приложений управления технологическим процессом, которые:

Он нуждается в индивидуальном трансформаторе с многоканальными экранами и экраном для управления EMI. Этого трудно достичь в небольшом форм-факторе с достаточной надежностью.
Для контура управления обратной связью можно использовать только один канал, что означает, что другие каналы более свободно регулируются. Это необходимо тщательно оценить для обеспечения надежной работы.
Плотность канала ограничена конкретным размещением трансформатора. Для мощности, поступающей с каждого выхода крана, трансформатор размещается как центр модуля аналогового ввода с каждым входным каналом, выложенным в секторах разветвления вокруг трансформатора, ограничивая каналы платы модуля аналогового ввода до четырех или восьми.
Помехи от одного канала могут быть соединены в другие каналы через соединительные конденсаторы между отводами трансформатора.
Уровень напряжения изоляции. Многоканальные трансформаторы могут достигать только сотен вольт от изоляции канала к каналу, если не включены специальные изоляционные материалы или конструкция, что значительно увеличивает стоимость трансформатора.
Высокая стоимость достижения сертификации UL / CSA для настраиваемого трансформатора.

Рисунок 2. Конструкция изоляции силового трансформатора

Другим подходом является использование отдельного трансформатора на канал и использование двухтактного подхода к изоляции каждого канала. При таком подходе обратная связь не используется. Вместо этого для управления каждым из трансформаторов используется хорошо регулируемое питание (например, 7 В), которое затем дополнительно регулируется на вторичной стороне с использованием LDO. Такой подход возможен, так как текущий расход вторичной стороны относительно низок, что делает возможным адекватное регулирование.

Некоторые из недостатков этого подхода - это требование как для предварительного, так и для дополнительных компонентов на канал. Выбранный трансформатор должен соответствовать требуемому классу изоляции. Предварительное регулирование, а также трансформатор, коммутаторы и LDO на канал занимают пространство на плате и добавляют стоимость. Также требуются значительные усилия по оценке, необходимые для обеспечения достаточности регулирования при любых условиях.

Рисунок 3. Изолирующая конструкция с выталкиванием

Использование изолированных модулей постоянного тока dc-to-dc, сертифицированных UL / CSA, значительно упрощает проектирование изолированной мощности и улучшает плотность канала при увеличении напряжения изоляции до тысяч вольт. Тем не менее, стоимость относительно высока, и, как правило, они могут пройти только класс EN55022. Эти модули могут также иметь проблемы с электромагнитными помехами, поскольку большинство модулей частоты ШИМ ниже 1 МГц для минимизации помех электромагнитного излучения. Кроме того, большинство модулей аналогового ввода управления процессом потребляют ток менее 10 мА, что намного меньше, чем большинство изолированных силовых модулей на рынке.

Обсуждались все три традиционных подхода, чтобы удовлетворить требуемые показатели изоляции и стоимости. Эти подходы также по-прежнему требуют отдельных изоляторов данных на канал, что добавляет дополнительное пространство и стоимость. Что делать, если силовая изоляция может быть включена как часть изолятора данных "// www.analog.com/en/products/interface-isolation/isolation/isopower/ADuM5411.html" target = "_ blank"> ADuM5411 в качестве примера, на блок-схему, показанную на рисунке 4, это устройство включает полную изоляцию мощности и четыре канала изоляции данных в корпусе TSSOP размером 7, 8 мм × 8, 2 мм и 24 вывода. Он обеспечивает выход до 150 мВт, достаточный для кондиционирования аналогового входного сигнала и оцифровки и передает стандарт изоляции 2500 U rms UL1577. Более того, CMTI (синфазный переходный иммунитет) превышает 75 кВ / мкс, что делает его идеальным для суровых промышленных сред, таких как электростанции, где существуют высокие временные напряжения и токи.

Рисунок 4. Блок-схема ADuM5411

Благодаря высокой интеграции как данных, так и силовой изоляции конструкция аналогового входного модуля значительно упрощается и возможны более высокие плотности каналов. Это позволяет использовать 16 или более каналов в том же пространстве, что и восемь каналов, используя старые методы изоляции.

16-канальный модуль ввода температуры изоляции от канала к каналу был спроектирован и протестирован с использованием этого подхода изоляции (см. Рис. 5). Устройства ADuM5411 в модуле обеспечивают изолированную мощность и данные для каждого из 16 каналов ввода температуры. Измерения термопары и / или RTD выполняются высокоинтегрированными температурными интерфейсами IC (AD7124 или AD7792), что обеспечивает дополнительную экономию пространства по сравнению с более дискретными конструкциями. ADP2441 преобразует питание задней панели 24 В на 3, 3 В для питания MCU, сенсорного экрана и ADuM5411. Для каждого входного канала требуется площадь только 63, 5 мм × 17, 9 мм.

Рисунок 5. 16-канальная температурная канальная схема изоляции входного модуля

Дизайн макета для ADuM5411

ADuM5411 использует частоту коммутации 125 МГц. Из-за большого количества каналов особое внимание было уделено обеспечению того, чтобы плата передавала тест на электромагнитную излучению в соответствии с EN55022 на класс B.

Чтобы минимизировать излучаемую эмиссию, используемые принципы сводились к минимизации вытягивания мощности и минимизации пути возврата тока. Мощность была сведена к минимуму за счет использования интегральных интегральных микросхем с низкой мощностью. Это означает, что меньшая мощность будет наноситься через изолирующий барьер, то есть также будет меньше энергии, излучаемой. AD7124 только полностью заряжает 0, 9 мА. Чтобы свести к минимуму текущий цикл возврата, использовались как ферритовые бусины, так и небольшая емкость сшивания.

Ферритовые бусины являются полезным методом управления излучающим сигналом у его источника, представляя гораздо более высокий импеданс, чем тракт ПХБ. Как показано на фиг.6, ферритовые гранулы последовательно размещались с выводами ADuM5411. Частотная характеристика ферритовых гранул является очень важным соображением. Используемая ферритовая бусина - BLM15HD182SN1, которая обеспечивает более 2 кОм между частотным диапазоном 100 МГц и 1 ГГц. Ферритовые бусины следует размещать как можно ближе к подушке ADuM5411. E9 на пути VISO и E10 на пути GNDISO являются наиболее важными ферритовыми шариками.

Рисунок 6. Схема ADuM5411

Емкость также может использоваться для обеспечения обратного пути с низким импедансом, что позволяет снизить выбросы. Один из способов сделать это - использовать наземный безопасный конденсатор, пересекающий барьер, гарантирующий соответствие стандартам для утечки, зазора и выдерживаемого напряжения. Эти конденсаторы доступны от поставщиков, таких как Murata или Vishay. Этот метод эффективен только до 200 МГц, хотя из-за индуктивности, возникающей при установке конденсатора. По этой причине более эффективная методика заключается в том, чтобы построить внутреннюю строчку для печатной платы под ADuM5411. Это может быть плавающий сшивающий конденсатор или перекрывающий сшивающий конденсатор, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Плавающий сшивающий конденсатор и перекрывающий сшивающий конденсатор

Для плавающего сшивающего конденсатора встроены два последовательных конденсатора, C1 и C2. Суммарная емкость вычисляется уравнением 1.

где:

ε - диэлектрическая проницаемость изоляционного материала PCB, 4, 5 для материала FR4

Для перекрывающегося сшивающего конденсатора емкость вычисляется уравнением 2.

где:

ε - диэлектрическая проницаемость изоляционного материала печатной платы, 4 × 10-1 1 F / м для материала FR4

С тем же материалом, площадью и расстоянием общее значение емкости плавающей строчки вдвое меньше, чем у перекрывающейся строчки, но толщина изоляционного материала удваивается. Усиленная изоляция, согласно IEC60950 2.10.6.4, требует минимальной толщины изоляционного материала толщиной 0, 4 мм (15, 74 мил) во внутренних слоях, но основная изоляция не требует такого требования. Поскольку ADuM5411 обеспечивает только среднеквадратичную изоляцию 2, 5 кВ, для максимизации емкости выбирается перекрывающий сшивающий конденсатор. По той же причине толщина внутренних слоев также контролировалась до 5 мил.

В 16-канальном модуле ввода-вывода канала с каналом используется 6-слойная плата. Для поддержания механических характеристик и характеристик электромагнитных помех верхний и нижний слои контролировали до 20 мил и внутренних слоев до 5 мил, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Назначение стека на шесть слоев

Как показано на рисунке 9, плоскости конденсаторов с перекрытием строятся в GND1, SIG, PWR и GND2. Плоскости на GND1 и PWR подключены к вторичной стороне ADuM5411, а плоскости в SIG и GND2 подключены к первичной стороне ADuM5411. Это означает, что между GND1 и SIG, SIG и PWR, PWR и GND2 образуются три параллельных сшивающих конденсатора. Ширина области перекрытия составляет 4, 5 мм, а длина составляет 17 мм, что означает, что общая ширина строчки составляет 72 пФ.

Рисунок 9. Шестислойная компоновка печатной платы в области ADuM5411

Результаты испытаний по спецификации EN55022

Два набора тестов EMI проводились на расстоянии 10 м, согласно спецификации EN55022. Для первого теста использовалась плата со шовной емкостью, как показано на рисунке 10. На рисунке 11 показаны результаты, он прошел стандарт EN55022 класса B с пределом прочности 11, 59 дБ. Для второго испытания использовалась плата без колющей емкости, и вместо этого на плате были установлены внешние предохранительные конденсаторы KEMET C1812C102KHRACTU 3 кВ, 150 пФ. На рисунке 12 показаны результаты - он прошел стандарт EN55022 класса B с разницей 0, 82 дБ.

Рисунок 10. Сшивающие конденсаторы, встроенные в печатную плату без предохранительных конденсаторов

Рисунок 11. Сшивающие конденсаторы, встроенные в PCB EN55022 Результаты теста класса B

Рисунок 12. Отсутствие строчки, но с предохранительными конденсаторами PCB, EN55022 Class B результат теста

Результаты показали, что сшивающие конденсаторы под ИС являются более эффективным способом развязки, чем предохранительные конденсаторы.

Вывод

Изоляция канала к каналу часто рассматривается как проблема проектирования в системах управления технологическими процессами высокого класса. Технология isoPower от ADI и технология iCoupler позволяют значительно увеличить плотность канала по сравнению с традиционными подходами к цифровой и силовой изоляции. Они также значительно упрощают задачу проектирования и могут повысить надежность и надежность канала. С помощью сшивающего конденсатора, встроенного в печатную плату, или предохранительного конденсатора, установленного в сторону печатной платы, излучение EMI можно легко контролировать, чтобы пройти EN55022 класса B или класса A. Это прорыв в технологии.

Дальнейшее чтение

Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи.