在工业应用中降低功耗和减少热事件

 

　　无论是工业控制还是其他领域，任何新设计的重点都是如何使系统尽可能高效。提高系统效率具有多项好处。首先，效率提高后，整体系统功耗预算会减少，从而实现节能并降低成本;其次，不用像以前那样依赖昂贵的热冷却系统;最后，功耗压力减小，因此系统集成度可以进一步提高。对于许多应用，这可以通过软件方式实现，如控制系统关键事件、计划过程的运行时间和停机时间或关断过程内的非关键组件。但对于大多数需要持续监控过程变量的过程控制应用，系统根本就不可能进入省电模式。而其他一些应用则又过于复杂，让系统离线既昂贵又耗时。因此，对于这些应用，要做到省电，就必须使用高效而智能的集成电路器件，实现仅在需要的位置和需要的时候供电。

　　PLC概述

　　图1中是一种典型的工业控制系统。工业控制系统既可用于机械和工厂控制等行业，也可用于油压、气压检测和液体流速等过程控制应用。根据从远程站点收到的信息，系统自动或由操作员将监控命令推送至远程站点控制器件，通常也称为现场器件。这些现场器件控制本地操作，如打开和关闭阀门和断路器、从传感器系统收集数据以及监控本地环境是否达到报警条件等等。此处显示的PLC机架系统通常包含一个电源模块、一个处理器模块以及多个模拟I/O和数字I/O卡。每个模拟或数字I/O卡均与远程传感器和执行器通信，通信形式可能为数字或模拟电压和电流。

　　

 

　　图1 典型PLC架构

　　仔细观察模拟I/O卡，可以看到输入在很大范围内变化，从传感器(如RTD或热电偶)发出的小信号输入到模拟电流或电压输入(例如4-20mA或±10V)不等。大多数时候，电压输入都具有相当高的输入阻抗。对于电流输入，一般还会端接阻值相对较小的检测电阻。因此，就系统总功耗而言，模拟输入卡往往相当高效，通常总功耗仅为1W~2W。而模拟输出却完全呈现另外一种趋势。电流和电压输出均有效驱动至未知负载内，因此模块设计人员需要确保输出在故障条件下也能得到保护，如短路或接线错误事件。设计人员既要保护IC，又要确保模块功耗最低。根据卡内的通道数量，通常功耗最高可达10W。

　　可插入PLC机架插槽的典型I/O卡的尺寸在过去10年中一直在缩小，目前正在量产的8通道模块一般而言是一个90 mm×70 mm、高度约23.5mm的模块。行业趋势今后仍是尺寸进一步缩小，而这实际上也是市场驱动的需求。同时，通道密度或数量也需要增加，这样既可以提升模块功能，又可以增加价格竞争力。显然，对于给定尺寸的此类模块，功耗正在成为关键，而使用空气对流技术的热冷却系统不仅昂贵、占用空间，还不太节能。因而需要考虑以其他方式来解决功耗挑战。