Sådan vælges og anvendes en isoleret DC/DC-konverter til en industriel IoT-sensor

Det er en stor udfordring at drive trådløse sensorer til det industrielle internet af ting (IIoT) til applikationer som f.eks. overvågning af maskinernes tilstand. Sensorerne skal være kompakte, robuste, nemme at installere og billige, men skal samtidig fungere pålideligt i lange perioder med lidt eller ingen vedligeholdelse. Fejl i sensoren kan få alt fra manglende vigtige data om maskinens tilstand til dyre reparationer og katastrofale fejl i systemet eller produktionslinjen.

I denne artikel beskrives de udfordringer, som designere står over for, når de skal bygge strømforsyninger til batteridrevne IIoT-sensorer til applikationer til tilstandsovervågning. Derefter beskrives det, hvordan isolerede DC/DC-konvertere med høj energitæthed fra RECOM Power kan bruges som grundlag for strømforsyninger, der løser disse udfordringer uden at ty til dyre og omfangsrige køleprofiler.

Hvad er tilstandsovervågning?

Tilstandsovervågning løser problemerne med forebyggende vedligeholdelsesplaner for store og komplekse maskiner og processer. Teknikken bygger på, at man kender en maskin-komponents status, så den kan repareres eller udskiftes i god tid, før der opstår fejl. Ved konstant at overvåge en motors vibrationssignatur kan softwaren f.eks. bestemme slid-tilstanden for et leje og ekstrapolere for at bestemme, hvornår den aktuelle slid-hastighed vil medføre et nedbrud. Sådanne oplysninger gør det muligt for ingeniører at forlænge serviceintervaller og samtidig undgå uplanlagt nedetid (Figur 1).

Figur 1: Uden vedligeholdelse går komplekse industrielle processer og maskiner i sidste ende i stykker, hvilket resulterer i lange nedetider. Selv efter reparation forekommer der fortsat gentagne fejl på slidt udstyr (nederst). Forebyggende vedligeholdelsesordninger planlægger hyppige serviceintervaller for at sikre, at processer og maskiner kører i lange perioder, og at maskinerne ikke slides op, men er ressourcekrævende (i midten). Tilstandsovervågning giver mulighed for forlængede serviceintervaller uden risiko for svigt, samtidig med at vedligeholdelsesomkostningerne sænkes (øverst). (Billedkilde: RECOM Power)

IIoT-sensorer er en god mulighed for applikationer til tilstandsovervågning. Disse kompakte enheder kan fastgøres mekanisk tæt på kendte maskin- eller procesfejlpunkter for at øge målepræcisionen. Trådløs forbindelse giver mulighed for regelmæssige opdateringer af tilstanden uden behov for dyre kommunikationskabler.

Udfordringen med at designe strømforsyning til IIoT-sensorer er svær. Det typiske anvendelsesmiljø er beskidt, der kan være mange vibrationer, temperaturerne kan være meget høje, og farlige spændinger er almindelige. Pladsen er ofte trang, og den følsomme elektronik kræver en kontinuerlig, ren og præcist reguleret DC-spænding.

En ny generation af isolerede DC/DC-konvertere som RxxCTExx-serien fra RECOM Power er en løsning. Disse kompakte enheder giver den høje energitæthed, kompakte størrelse, holdbarhed og effektivitet, der er nødvendig for IIoT-sensorapplikationer. Konverterne leveres i overflademonterede pakker, der kan levere op til 1 watt og samtidig optager minimal plads på printpladen.

Robuste kommercielle IIoT-sensorstrømforsyninger

Emballage fremskridt, såsom inkorporering af strøm- og kontrolelementer på det samme stykke silicium og anvendelse af lavprofil transformere, gør det muligt for producenterne at tilbyde isolerede DC/DC-konvertere af høj specifikation til IIoT-sensorapplikationer. RECOM Power DC/DC-konvertere bruger f.eks. designelementer som planar transformere til at reducere chip-højden til mindre end tre millimeter (mm) (Figur 2).

Figur 2: RECOMs RxxCTExx-serie leveres i kompakte SOIC-16 pakninger til overflademontering med en profil på under 3 mm. (Billedkilde: RECOM Power)

Brugen af standard SOIC-16 pakninger muliggør håndtering og samling med automatiseret udstyr. Endelig gør chipsenes kompakte størrelse det muligt at placere strømreguleringen meget tættere på belastningen, hvilket forenkler og reducerer designet.

De billige RECOM Power DC/DC-konvertere leverer 0,5(R05C05TE05S-CT) eller 1 watt(R05CTE05S-CT) ved 5 volt udgangsspænding (udgangsspændingsripple er maksimalt 50 millivolt p-p (mV_p-p)) fra en nominel indgang på 4,5 til 5,5 volt. Konverternes udgangsspænding er kompatibel med populære familier af aktive sensorer og de mikrocontroller- eller DSP-front-ends, der almindeligvis anvendes til dataanalyse. R05C05TE05S-CT 0,5 watt-enheden har en indgangsstrøm på 240 milliampere (mA), mens R05CTE05S-CT 1 watt-versionen har en indgangsstrøm på 370 mA. Konverterne er udstyret med kortslutnings-, overstrøms- og overtemperaturbeskyttelse for at sikre høj pålidelighed i IIoT-applikationer.

0,5-watt-versionen kan fungere ved omgivelsestemperaturer på op til 100 °C uden nedjustering, mens 1-watt-produktet kan bruges op til 72 °C. Begge enheder er i overensstemmelse med IEC 62368-1 (Informationsteknologiudstyr, generelle krav til sikkerhed).

DC/DC-konvertere har ingen krav om minimumsbelastning, hvilket gør dem velegnede til applikationer, som ofte skifter til meget svag belastning for at spare energi. Dette er en almindelig funktionsmåde for IIoT-sensorer. R05C05TE05S-CT kan yde 0,6 watt (med en indgangsstrøm, der stiger til 255 mA) i op til 60 sekunder (s). Der kræves en genopretningsperiode på tre gange varigheden af spidseffekten, før spidseffekten kan nås igen (figur 3).

Figur 3: RECOM Power R05C05TE05S-CT 0,5 watt DC/DC-konverter kan levere en spidsudgangseffekt på 0,6 watt i op til 60 sekunder. Der kræves en genopretningsperiode på tre gange varigheden af spidseffekten, før spidseffekten kan udnyttes igen. (Billedkilde: RECOM Power)

Opfyldelse af krav om isolation

Miljøet omkring IIoT-noden er udsat for store strømstød, når tunge maskiner startes eller stoppes. Af sikkerhedshensyn og for at beskytte skrøbelig elektronik skal sensorens DC-strømforsyninger isoleres fra hovedforsyningen.

RECOM Power DC/DC-konvertere bruger en intern transformer til at isolere udgangen fra indgangen. Enhederne har en 3 kV DC isolationsspænding (beregnet til 60 s) og er testet i 1 s til en maksimal isolationsspænding på 3,6 kV DC. Isoleringsmodstanden (500 volt DC, 25 °C) er 50 gig ohm (GΩ), og den ydre afstand er > 8 mm. Figur 4 viser et applikationskredsløb for den isolerede DC/DC-konverter.

Figur 4: Applikationskredsløb for RECOM Power RxxC05TExxS isoleret DC/DC-konverter. (Billedkilde: RECOM Power)

Vigtigheden af termisk styring

Energitætheden af en DC/DC-konverter måles i watt pr. kubikcentimeter (W/cm³). Højere effekttæthed giver designeren mulighed for at øge den effekt, der er til rådighed for applikationen, uden at bruge en større komponentstørrelse, eller for at bevare effekten, mens produktets samlede dimensioner mindskes.

For DC/DC-konverterleverandøren er nøglen til at tilbyde høj energitæthed at øge chipens effektivitet og/eller forbedre dens termiske ydeevne - hvilket gør det muligt at bruge en mindre pakke og en højere maksimal driftstemperatur.

RECOM Power DC/DC-konvertere har god effektivitet for billige, isolerede, halvregulerede switching-enheder. En vigtig egenskab, der adskiller dem fra konkurrerende enheder, er, at effektivitetskurven er relativt flad i hele området fra 20 % til fuld udgangsbelastning (figur 5). Konkurrerende enheder har ofte en dårlig effektivitet ved lave og mellemstore udgangsbelastninger.

Figur 5: Her vises en graf over virkningsgraden i forhold til den procentvise udgangsbelastning for R05C05TE05S-CT. De isolerede koblings-konverterene giver god effektivitet over et bredt belastningsområde. (Billedkilde: RECOM Power)

Den maksimale junction-temperatur (T_jmax) for en komponent (målt midt oven på siliciumstykkets top) er typisk angivet i databladet. Hvis enheden ikke overskrider denne grænse, garanterer producenten ydeevne. Drift over denne temperatur kan ændre halvlederens ledningsevne, så den ikke længere fungerer efter hensigten, og kan endda forårsage permanent skade.

T_j for en enhed med fast effektforbrug, f.eks. en DC/DC-regulator, afhænger i høj grad af den interne termiske modstand (Ψ_jt) og effektiviteten af varmeoverførslen til det umiddelbare miljø. Ψ_jt tager højde for alle de måder, hvorpå varmen kan slippe ud af komponenten, herunder gennem bunden af chippen via printpladen. Denne parameter er vanskelig at måle uden for laboratoriet og er ofte ikke medtaget i databladet. En god erstatning for Ψ_jt ers θ_ja; dette er et mål for den termiske impedans (R_θja) for en enkelt varmebane fra siliciumdippen direkte til det omgivende miljø, som er nemmere at måle. Enhederne for R_θja er grader celsius (eller Kelvin (K)) pr. W (°C/W). T_j kan estimeres ud fra ligningen:

Komponentdesignere sigter mod at minimere den interne termiske impedans og maksimere den konduktive og konvektive varmeoverførsel for at holde komponenttemperaturerne nede og give tilfredsstillende "overhead" mellem T_j og T_jmax (figur 6).

Figur 6: Komponentproducenter angiver en maksimal temperatur (T_jmax) for en aktiv enhed for at sikre korrekt funktion. For en given effektudledning bestemmes T_j i høj grad af komponentens samlede termiske impedans og den omgivende temperatur (T_a). (Billedkilde: RECOM Power)

IIoT-sensorer arbejder ofte i lukkede miljøer med ringe ventilation. Dette kan få den omgivende temperatur til at stige, og den kan nemt nærme sig 70 °C i industrielle miljøer. Denne høje T_a påvirker komponentens temperatur-overhead.

Se følgende eksempel på en typisk DC/DC-konverter:

Uden at tilføje omkostninger og volumen ved brug af en køleprofil ville denne enhed være uegnet til denne anvendelse på grund af den meget begrænsede temperatur-overhead.

En bedre løsning ville være at vælge en enhed med et udvidet temperaturområde. Der findes mange kommercielle DC/DC-regulatorer med en T_jmax på 125 °C og nogle få, som RECOM Power-løsningen, der udvider den til 150 °C. For det andet kan ind- og udgangsspændingerne tilpasses bedre (hvilket øger effektiviteten af en lineær regulator og dermed sænker strømforbruget). Og for det tredje bør designeren forsøge at vælge den enhed med den laveste termiske impedans.

Tag et andet eksempel på en DC/DC-konverter, der er valgt med disse kriterier i tankerne:

Denne mulighed giver et betydeligt temperaturoverhead, hvilket bidrager til at forlænge produktets levetid.

RECOM Power's RxxCTExx-serie anvender 3D power packaging (3DPP) for at sænke den termiske impedans. 3DPP udnytter materialeoptimering, fremstillingsteknikker og en række forskellige metoder til varmeoverførsel fra kryds til omgivelser som f.eks. flip-chip-on-lead (FCOL), indlejrede IC'er og termiske vias for at sænke den termiske impedans. Disse teknikker gør det muligt at fremstille DC/DC-konvertere i SOIC-16-størrelse, der kan forsyne store belastninger uden komplikationer og omkostninger i forbindelse med aktive kølemetoder eller store passive køleplader. RxxC05TExxS-produkterne har en R_θja på 63,8 °C/W sammenlignet med ca. 90 °C/W for konventionelle produkter.

Under visse omstændigheder, f.eks. i lukkede rum i nærheden af maskiner med store elmotorer, der udstråler meget varme, kan omgivelsestemperaturen stige endnu mere, f.eks. i lukkede rum i nærheden af maskiner, der drives af store elmotorer, som udstråler meget varme. I disse situationer anbefaler chipproducenterne en derating (dvs. begrænsning af enhedens udgangseffekt for at sænke strømforbruget og dermed T_j). For eksempel kan man se på den anden DC/DC-konverter, der er beskrevet ovenfor; en temperaturstigning til 110 °C vil kun efterlade en temperaturoverhead på ca. 38 °C, hvilket er mindre end anbefalet for at forlænge produktets levetid. Figur 7 viser den termiske deratingkurve for RECOM Power RxxC05TExxS.

Figur 7: Termisk nedbrydningskurve for RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC-konverter. Producenten anbefaler, at udgangseffekten reduceres over T_a = 104 °C for at undgå langtidsskader på komponenten. (Billedkilde: RECOM Power)

Konklusion

Det er en stor opgave at forsyne trådløse IIoT-sensorer med lav effekt til applikationer som f.eks. overvågning af maskinkonditionering, da driftsmiljøet er varmt og snavset. Følsomme overvågningsenheder skal forsynes med en konstant, ren DC-spænding og være beskyttet mod de høje spændingsstød, der er almindelige i industrielt udstyr. Desuden er pladsen typisk trang, og omkostningerne skal holdes nede.

En ny generation af isolerede DC/DC-konvertere hjælper nu designere med at imødegå disse udfordringer. Kompakte overflademonterede løsninger gør det nemt at montere dem og giver den høje energitæthed, pladsbesparelse, holdbarhed og effektivitet, der er efterspurgt. Desuden har nye indpaknings- og fremstillingsteknikker sænket den termiske impedans, hvilket gør det muligt for enhederne at fungere i lukkede miljøer med høje temperaturer uden behov for dyre og voluminøse køleprofiler.