Utvecklingen av Industry 4.0 förändrar det industriella ingenjörslandskapet med större förlitan till automatiserade system.
Effektswitchar är ett sätt att styra strömförsörjningen till industriella laster så att utrustningar som används på fabriksgolvet kan aktiveras/avaktiveras vid behov. Dessa kommer bland annat vara programmerbara logiska styrenheter (PLC), IO-moduler, kraftiga motordrivningar, CNC-routrar m.m.
Följande artikel tittar på de nyckelfaktorer som det är tillrådligt för ingenjörer att beakta när de väljer effektswitchar för användning i industriella system.
Switchkonfigurationer
Det får olika konsekvenser beroende på var effektswitchen placeras i ett system – nämligen om den är på systemets höga eller låga sida. Var och en av dessa alternativ har sina för- och nackdelar.
Låt oss först titta på höga sidans konfiguration. Här är switchen placerad mellan matningen och lasten som är ansluten till jord. Detta är särskilt tillämpbart vid drift med hög spänning, där stora belastningar skall hanteras. Eftersom lasten är jordad, finns det bättre skydd mot risken för kortslutning.
Ett problem är att det orsakar en skillnad mellan matningsspänningen och gate-spänningen som kommer att behöva hanteras. Detta görs vanligtvis genom att använda en laddningspump för att generera den behövliga högre gate-spänning – vilket tar upp utrymme och också kommer att vara problematiskt när det gäller de tillhörande komponentkostnaderna (BoM).
I låga sidans konfiguration är lasten placerad mellan matningen och switchen som är ansluten till jord. Det resulterar i att switchningen är lättare att styra eftersom logiken som bestämmer om switchen ska vara på/av refererar till samma jord som switchingången. Detta tillvägagångssätt är tillämpbart på system med låga spänningar och där snabbare switchning krävs.
Ytterligare faktorer att ta hänsyn till
Utöver att besluta om lämplig switchkonfiguration finns det andra aspekter att överväga. För det första kan industriella miljöer ofta vara extremt utmanande. Därför kommer motståndskraft mot tuffa förhållanden, som förhöjd temperatur, vara avgörande.
Dessutom är det viktigt att ha effektiva skyddsmekanismer för att skydda mot överström och övertemperatur. Sedan kommer det sannolikt att finnas utrymmesbegränsningar i kompakta industrisystem – så miniatyriseringen av ingående kraftkomponenter är av stor vikt.
Flerkanalig switchning kommer helt klart att vara fördelaktigt, eftersom detta upptar mindre kretskortsutrymme. Det kommer också att innebära att komponentkostnaderna kan hållas nere, vilket är mycket tilltalande för tillverkarna av industriella utrustningar.
Inköp och implementering av effektiva effektswitchlösningar
För att bättre kontrollera drivningen av resistiva och induktiva laster i ett industriellt sammanhang och ta itu med alla de olika överväganden som beskrivs ovan har Toshiba utvecklat nästa generation flerkanalsswitchar.
Höga sidans switchTPD2015FN kompletteras av låga sidans switch TPD2017FN. Dessa intelligenta kraftenheter är baserade på Toshibas egenutvecklade BiCD-halvledarprocess, som kombinerar bipolär, CMOS- och DMOS-teknik.
Den höga sidans switch TPD2015FN stöder 8V till 40V drift och är avsedd för att driva laster direkt (som motorer och solenoider).
Den har totalt 8 N-kanals MOSFET-utgångar och integrerar även en laddningspump (förstärker matningsspänningen så att gate-spänningen kan uppnås). Låg tillresistans (vanligtvis bara 0,55Ω per kanal vid VDD på 12V) leder till hög effektivitet och överlägsen termisk prestanda (mindre kylfläns behövs).
Den 8-kanaliga TPD2017FN låga sidans switch har ett matningsspänningsområde från 2,7V till 5,5V. Som ett resultat kan den arbeta med TTL-logikspänningarna (3,3V/5V) som används av systemmikrokontrollenheter (MCU).
Detta gör det behändigare för ingenjörer som konstruerar industriella system eftersom switcharrangemanget kan göras mycket enklare.
De nya switcharna levereras båda i kompakt SSOP30-kapsling (måtten 9,7 mm × 7,6 mm × 1,2 mm). Följaktligen är kretskortsutnyttjandet minimalt och med låg profil.
För att säkerställa kontinuerlig driftsäkerhet har båda dessa switchar inbyggda skyddsfunktioner för överström och övertemperatur. Ett brett driftstemperaturområde (-40°C till +110°C) stöds, vilket innebär att även de svåraste omgivningsförhållandena kan hanteras.
Slutsats
Valet av robusta, prestandaförbättrade effektswitchar på hög och låg sida, såsom de som beskrivs i den här artikeln, kommer att erbjuda påtagliga fördelar för ett brett spektrum av tillämpningar relaterade till modern industriell process- och produktionsverksamhet.
Resultatet av detta är att de kommer att bidra till en mer utbredd användning av fabriksautomationsteknik.
Av Klaus Neuenhüskes, Senior Manager Semiconductor Marketing, Toshiba Electronics Europe GmbH
