原创 采用智能驱动器降低驱动器热耗散

采用智能驱动器降低驱动器热耗散

  马超群(Email:chaoqun_ma@126.com QQ:331332430) 

当在长距离的线路传输信号时功率消耗会倍增，采用智能驱动器可以使得电线或者电缆减少功率消耗。对于控制工程中信号高电平使用24V这种特殊情况，这是采用线驱动器的一个潜在节能优势。功率消耗下降使得线驱动器的外壳温度显著地减小。

线驱动器是被设计用来转换逻辑电平和经由连接线传输他们作为电子输出信号。通常在工业控制工程使用的信号摆率大约24V。电缆通常连接到接收器，接收器采用高阻抗来保持静态功率低消耗。关于电缆的特性阻抗，大概100 ohm，控制单元的输入阻抗大概几千个ohm。这里所研究的是电气上的电缆，即没有连接的开路终端电线。

在发射端，线驱动的输出阻抗通常调节到匹配电缆的阻抗。图1展示了一个这种驱动器的例子。这种推挽输出驱动器的输出特性可以简单的由两个理想的开关和一个串联的电阻Rs来等效。这两个开关HS（高边）和LS（低边）按照供给的输入电压（没有在这里画出）控制，由控制信号ENHi和ENLo来产生。

图1：线驱动器输出级电路原理图

最初，一个不带电的电线由切换到高边开关HS来充电，供电电压VB沿着电线通过串联电阻Rs和电线的特性阻抗ZL来分配。由于Rs大约等于特性阻抗，在电线的开始端A点上电时的电势大约为供电电压的一半（图2）。再往前（2），整个电缆由线路的波动进展被充电到VB/2。

一旦线路波到达接收器B（3），它在开路终端被反射。此反射波被叠加到输入波，导致在B点由叠加波部分设置一个等于VB的电势。接收器因此检测到一个相当于全电源电压VB的电压摆率。

整个电缆最终的电势由反射波充电到VB（4），意味着一旦反射波到达驱动器输出端A，电势VB/2也上升到VB（5）。

驱动器输出端更进一步的反射由阻抗适配器和Rs有效的抑制，因此，线路电势会趋于一个稳定值。当低边开关LS切换时，电缆以同样的方式又开始放电。

图2：信号在一个开路电线上传播

图3所示是依据开关状态从电缆的起始端A到终点B的电压模型。此外，由驱动器本身的供电电压和接收器输入阻抗引起的静态功率消耗是微不足道的，相当大的线驱动器功率消耗（P）时间在电缆的充电和放电。更长的电缆和更长的再充电时间以及更高的再充电频率消耗的功率就越大。功率消耗随着频率线性增加。实际上，最大使用频率由驱动器的最大功率消耗限值。

图3：iC-DL在高边和低边开关有效信号ENHi和ENLo激励下

电缆起始端A到终端B电压模型和驱动器功率消耗

减少动态功率消耗

一种可能的由iC-HX减小动态功率消耗的方法如图4。此驱动器管脚兼容iC-DL，具有一个外部连接一个负载电容Cx。工作时这个电容被充电到供电电压的一半（VB/2）。

图4：线驱动器带开关X和电容Cx的电路原理

iC-HX的工作特别之处是什么？信号传输时通过对电缆的充电、放电和iC-DL是一样的，电源和切换实体不同，接下来由图5说明。iC-HX在充电（1）期间高边开关HS首先由电容Cx的开关连接到电缆取代，这将会充到电源电压的一半。由于在这种情况下电流是由无功功率提供的，这几乎没有消耗任何电源功率，除了通过开关X的电阻性损耗。为了反射波能被驱动器内部吸收，在反射波到达驱动器输出端A（5）之前，电容Cx必须立即和电缆断开并且高边开关HS有效闭合以便输出阻抗Rs变为有效。仅仅在这个短暂的切换到高边开关工作和反射波到达的瞬间功率消耗和iC-DL是一样的。

图5：iC-HX高边，低边和X开关在线路起点A到终点B的有效电压信号模型，驱动器功率消耗仅出现在从X到HS以及X到LS短暂的切换时间

类似的情形，当电缆第一次放电时电容Cx又通过开关X连接回电缆。这会引起电缆里的能量传输返回到Cx；仅在切换到低边开关期间驱动器消耗少许能量。

潜在的节能在于驱动器上电和断电的运行时间的使用率有关。

因此，有效应用上述原理，再充电点放置尽可能精确到仅仅在反射波返回前一点是必要的。刚开始iC-HX不知道电缆的运行时间；它必须首先检测反射波朝向。在这个短暂的“学习期间”，iC-HX按照惯例工作几个循环，和一个普通线驱动器一样，不使用Cx切换到电容。一旦电缆运行时间符合规定，此器件自动切换到X开关模式。

潜在节能例子

一个潜在节能的例子由图6给出。此图所描述的是使用四个通道，100m长电缆时驱动器的功率消耗。这是一个典型的增量编码器应用，差分信号A和B使用差分信号传输到控制单元。

图6：iC-DL和iC-HX使用两对100m电缆工作时功率消耗对比

如上文所述，由于电缆再充电是间歇的，随着所传输脉冲的频率增加功率消耗也会上升。对于一个给定的频率，iC-HX节省功率消耗大概在30%到40%的范围。相反的，这意味着在应用中由iC-HX替换iC-DL后驱动器温度上升较低。例如，用这种方法，增量编码器由距离决定功率消耗的较高工作温度可以相当地降低到从80℃上升到100℃，在使用相同的机械装配和相同的热阻情况下，热耗散较低。