全集成自动化的工业通讯

凭借全集成自动化（TIA），西门子公司成为***一家能够一致性提供涵盖所有领域自动化产品和系统的供应商，从进货入库到加工流程，再到产品配送，从现场级到生产控制级，再到公司管理级的集成。

全集成自动化的优点不仅在设计和工程阶段，而且在装配和调试阶段以及操作和维护阶段都表现不俗。

只需花费较小的成本，即可创建自动化解决方案。全新的开发自由度，能够更快速、更灵活地应对新的市场需求。工厂也可很容易地进行扩建或改造，而无需中断当前的生产运行。

随着工业以太网在自动化领域中的应用增长，全集成自动化中的两大主题愈显重要：PROFINET 和 SCALANCE。

PROFINET——
用于提升工厂生产效率

您需要公司内战略性决策的无缝信息流 - 从***个制造阶段到操作直到公司管理层。为此，必须在工厂设计规划伊始，即能保证高效性及高一致性。

PROFINET，是一种开放式、创新工业以太网标准，符合所有工业自动化要求，可保证公司范围内的一致性通讯。

PROFINET 用于直接连接分布式现场设备到工业以太网，以及同步运动控制应用的解决方案。 借助于组件技术，PROFINET 还支持分布式自动化系统，以及垂直集成和安全型应用的解决方案。PROFINET 还支持控制器与控制器之间的通讯。

在所有层内安全、灵活地与 SCALANCE 网络组件网络连接

SCALANCE X 工业以太网交换机、SCALANCE S 工业安全模块以及工业无线局域网 (IWLAN) 接入点和客户端模块(SCALANCE W)、SCALANCE M 可以充分地满足工业应用的要求，可用于对 PROFINET/工业以太网上的工作站进行网络连接。

将无线通讯应用于自动化设备及工业终端设备，可实现更大的灵活性。结果是，简化维护工作、减少维修成本、缩短停机时间。通过 SCALANCE 产品实现无线网络，可以实现安全的，甚至于故障安全的通信。这在很大程度上提高了公司的竞争力。

可以在无线电场内执行具有实时要求的复杂应用。
将无线功能用于移动设备可以节约电缆和维护成本，无人驾驶的运输系统可以通过无线系统接收数据，无需电缆，可以灵活地选择路径。

整个解决方案包括：

总线系统，带有

无源网络部件，例如电缆

有源网络部件，例如交换机

接口，用于连接自动化设备至总线系统

集成接口

自带通讯处理器

网络转换，如 IE/PB 链接器 PN IO

用于组态网络的软件

服务和诊断工具，例如，SINEMA

SIMATIC NET 具备集成式完整解决方案所需全部部件，并支持下列通讯系统：

工业以太网 (IEEE 802.3)
该区域网络是局域网环境中的***个网络。
通过工业以太网，可在分布很广的区域内构建功能强大的通讯网络。

PROFINET (IEC 61158/61784)
使用了工业以太网，可实现直至现场级的实时通讯，也可将企业级集成进来。通过充分利用现有的 IT 标准，PROFINET 允许同步运动控制应用、有效的跨制造商工程设计和工业以太网上机器和系统的高利用率。PROFINET 支持分布式自动化和控制器之间的通讯，可实现故障安全应用。

PROFIBUS (IEC 61158/61784) -
***的布线系统。它既可以实现加工制造应用内部的通信，也可以实现面向过程的应用的内部通信。

AS-Interface (EN 50295/IEC 62026) -
可替代电缆束的连接技术，可通过两线制总线非常经济地将传感器和执行器连接在一起。

IO-Link -
用于智能化连接现场级到 MES 级的传感器和执行器的标准。

网络转换 通过控制器或链路实现。可以从工厂的任何位置执行组态和诊断。

工业总线系统

该图显示了各种自动化系统与标准网络的连接

正确选择MOS管是很重要的一个环节，MOS管选择不好有可能影响到整个电路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的细微差别及不同开关电路中的应力能够帮助工程师避免诸多问题，下面我们来学习下MOS管的正确的选择方法。

　　步：选用N沟道还是P沟道

　　为设计选择正确器件的步是决定采用N沟道还是P沟道MOS管。在典型的功率应用中，当一个MOS管接地，而负载连接到干线电压上时，该MOS管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道MOS管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOS管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOS管，这也是出于对电压驱动的考虑。

　　要选择适合应用的器件，必须确定驱动器件所需的电压，以及在设计中简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压，或者器件所能承受的大电压。额定电压越大，器件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOS管不会失效。就选择MOS管而言，必须确定漏极至源极间可能承受的大电压，即大VDS。知道MOS管能承受的大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围，确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备（如电机或变压器）诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同；通常，便携式设备为20V、FPGA电源为20～30V、85～220VAC应用为450～600V。

　　第二步：确定额定电流

　　第二步是选择MOS管的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOS管能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，MOS管处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的大电流，只需直接选择能承受这个大电流的器件便可。

　　选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOS管并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOS管在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS（ON）所确定，并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS（ON）计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOS管施加的电压VGS越高，RDS（ON）就会越小；反之RDS（ON）就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易（较为普遍），而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS（ON）电阻会随着电流轻微上升。关于RDS（ON）电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

　　技术对器件的特性有着重大影响，因为有些技术在提高大VDS时往往会使RDS（ON）增大。对于这样的技术，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术，其中主要的是沟道和电荷平衡技术。

　　在沟道技术中，晶片中嵌入了一个深沟，通常是为低电压预留的，用于降低导通电阻RDS（ON）。为了减少大VDS对RDS（ON）的影响，开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如，飞兆半导体开发了称为SupeRFET的技术，针对RDS（ON）的降低而增加了额外的制造步骤。这种对RDS（ON）的关注十分重要，因为当标准MOSFET的击穿电压升高时，RDS（ON）会随之呈指数级增加，并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS（ON）与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在击穿电压达到600V的情况下，实现理想的低RDS（ON）。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于终用户来说，这意味着封装尺寸的大幅减小。

　　第三步：确定热要求

　　选择MOS管的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即坏情况和真实情况。建议采用针对坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOS管的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及大的结温。

　　器件的结温等于大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积（结温=大环境温度+［热阻×功率耗散］）。根据这个方程可解出系统的大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS（ON）。由于设计人员已确定将要通过器件的大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS（ON）。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量；即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

　　雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过大值，并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率，使器件的温度升高，而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试，计算其雪崩电压，或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法；一是统计法，另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。除计算外，技术对雪崩效应也有很大影响。例如，晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力，终提高器件的稳健性。对终用户而言，这意味着要在系统中采用更大的封装件。

　　第四步：决定开关性能

　　选择MOS管的后一步是决定MOS管的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。MOS管的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗（Eon）和关闭过程中的损耗（Eoff）。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达：Psw=（Eon+Eoff）×开关频率。而栅极电荷（Qgd）对开关性能的影响大。