Výběr a používání izolovaného DC/DC převodníku pro průmyslový senzor IoT

Napájení bezdrátových senzorů průmyslového internetu věcí (IIoT) pro aplikace, jako je monitorování stavu strojů, je náročné. Senzory musí být kompaktní, robustní, snadno nasaditelné a levné, a přesto musí spolehlivě fungovat po dlouhou dobu s minimální nebo žádnou údržbou. Důsledky selhání senzorů mohou být různé od chybějících zásadních dat o stavu stroje přes drahé opravy až po katastrofální selhání systému nebo výrobní linky.

V tomto článku jsou podrobně popsány výzvy, kterým konstruktéři čelí při sestavování napájecích zdrojů pro bateriově napájené senzory IIoT v aplikacích monitorování stavu. Dále je zde popsáno, jak lze použít izolované DC/DC převodníky s vysokou energetickou hustotou od společnosti RECOM Power jako základ pro napájecí zdroje, které tyto výzvy řeší, aniž by bylo nutné se uchylovat k drahým a objemným chladičům.

Co je monitorování stavu?

Monitorování stavu překonává problémy plánů preventivní údržby velkých a složitých strojů a procesů. Tato technika stojí na znalostech stavu součástí stroje tak, aby je bylo možné opravit nebo vyměnit v dostatečném předstihu, než dojde k poruše. Například neustálým monitorováním vibrací motoru může software určit stav opotřebení ložiska a extrapolovat jej, aby určil, kdy by aktuální rychlost opotřebení způsobila poruchu. Tyto informace umožňují technikům prodloužit servisní intervaly a zároveň se vyhnout neplánovaným prostojům (obrázek 1).

Obrázek 1: Bez údržby mohou složité průmyslové procesy a stroje nakonec selhat, což má za následek delší prostoje. I po opravě dochází nadále k opakovaným poruchám opotřebovaného zařízení (dole). Ve schématech preventivní údržby jsou plánovány časté servisní intervaly, aby se zajistilo, že procesy a stroje poběží po dlouhou dobu a stroje se neopotřebují, ale tato schémata jsou náročná na zdroje (uprostřed). Monitorování stavu umožňuje delší servisní intervaly bez rizika poruchy a zároveň snižuje náklady na údržbu (nahoře). (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Senzory IIoT jsou pro aplikace monitorování stavu dobrou volbou. Tato kompaktní zařízení lze mechanicky připevnit blízko známých míst selhání stroje nebo procesu, aby se zvýšila přesnost měření. Bezdrátová konektivita umožňuje pravidelné aktualizace stavu bez nutnosti drahé komunikační kabeláže.

Výzva při návrhu napájecího zdroje pro senzory IIoT je náročná. Typické prostředí aplikace je špinavé, může docházet k velkým vibracím, teploty mohou být velmi vysoké a samozřejmostí jsou nebezpečná napětí. Často je na prvním místě otázka místa a citlivá elektronika vyžaduje nepřetržité, čisté a přesně regulované stejnosměrné napětí.

Řešení nabízí nová generace izolovaných DC/DC převodníků, jako je např. řada RxxCTExx od společnosti RECOM Power. Tato kompaktní zařízení poskytují vysokou hustotu energie, kompaktní velikost, odolnost a účinnost potřebné pro aplikace senzorů IIoT. Převodníky jsou dodávány v pouzdrech pro povrchovou montáž, které jsou schopny dodat výkon až 1 watt při minimálním zabírání místa na desce plošných spojů.

Odolné komerční napájecí zdroje pro senzory IIoT

Pokroky v pouzdrech, jako je začlenění napájecích a ovládacích prvků na jeden kus křemíku a použití nízkoprofilových transformátorů, umožňují výrobcům nabízet vysoce specifické izolované DC/DC převodníky pro aplikace senzorů IIoT. DC/DC převodníky společnosti RECOM Power například využívají ke zmenšení výšky čipu na méně než tři milimetry konstrukční prvky, jako jsou transformátory planárního typu (obrázek 2).

Obrázek 2: Řada RxxCTExx společnosti RECOM se dodává v kompaktních pouzdrech SOIC-16 pro povrchovou montáž s profilem menším než 3 mm. (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Použití standardních pouzder SOIC-16 umožňuje manipulaci a montáž pomocí automatizovaného zařízení. A konečně, kompaktní velikost čipů umožňuje umístit regulaci výkonu mnohem blíž k zátěži, což návrh zjednodušuje a zmenšuje.

Nízkonákladové DC/DC převodníky společnosti RECOM Power poskytují 0,5 W (model R05C05TE05S-CT) nebo 1 W (model R05CTE05S-CT) při výstupu 5 V (zvlnění výstupního napětí je maximálně 50 mV_š-š) ze jmenovitého vstupu 4,5 až 5,5 V. Výstupní napětí převodníků je kompatibilní s oblíbenými řadami aktivních senzorů a mikrokontrolérů nebo front-endů DSP běžně používaných k analýze dat. 0,5wattové zařízení R05C05TE05S-CT má vstupní proud 240 mA, zatímco 1wattová verze R05CTE05S-CT má vstupní proud 370 mA. Převodníky jsou k zajištění vysoké spolehlivosti v aplikacích IIoT vybaveny ochranou proti zkratu, nadproudu a přehřátí.

0,5wattová verze může pracovat při okolní teplotě až 100 °C bez snížení výkonu, zatímco 1wattový produkt lze používat až do 72 °C. Obě zařízení jsou v souladu s normou IEC 62368-1 (Zařízení informační technologie, Všeobecné požadavky na bezpečnost).

DC/DC převodníky nemají žádné požadavky na minimální zatížení a jsou díky tomu vhodné pro aplikace, které se často přepínají do provozních režimů s velmi nízkou zátěží, aby se šetřila energie. To je běžný režim provozu senzorů IIoT. Model R05C05TE05S-CT může mít výstup 0,6 W (se vstupním proudem stoupajícím na 255 mA) po dobu až 60 s. Před opětovným přístupem ke špičkovému výkonu je zapotřebí období obnovy v délce trojnásobku trvání špičkového výkonu (obrázek 3).

Obrázek 3: 0,5wattový DC/DC převodník R05C05TE05S-CT společnosti RECOM Power dokáže dodat špičkový výstupní výkon 0,6 W po dobu až 60 s. Před opětovným podáním špičkového výkonu je zapotřebí období obnovy v délce trojnásobku trvání špičkového výkonu. (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Splnění požadavků izolace

Kdykoli se spouští nebo zastavují těžké stroje, je prostředí kolem uzlu IIoT vystaveno vysokým proudovým rázům. Z bezpečnostních důvodů a pro ochranu křehké elektroniky vyžadují stejnosměrné napájecí zdroje senzoru izolaci od hlavního napájení.

K oddělení výstupu od vstupu používají DC/DC převodníky společnosti RECOM Power interní transformátor. Zařízení se vyznačují izolačním napětím 3 kV DC (jmenovité po dobu 60 s) a jsou testovány po dobu 1 s na maximální izolační napětí 3,6 kV DC. Izolační odpor (500 V DC, 25 °C) je 50 GΩ a vnější vůle je >8 mm. Na obrázku 4 je uveden aplikační obvod pro izolovaný DC/DC převodník.

Obrázek 4: Aplikační obvod pro izolovaný DC/DC převodník RxxC05TExxS společnosti RECOM Power. (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Význam regulace tepla

Hustota energie DC/DC převodníku se měří ve wattech na krychlový centimetr (W/cm³). Vyšší hustota výkonu umožňuje konstruktérovi zvýšit dostupný výkon pro danou aplikaci bez použití větší velikosti součástek nebo zachovat výstupní výkon při zmenšení celkových rozměrů produktu.

Pro dodavatele DC/DC převodníků je klíčem k nabízení vysoké hustoty energie zvýšení účinnosti čipu anebo zvýšení jeho tepelného výkonu – což umožňuje použít menší pouzdro a vyšší maximální provozní teplotu.

DC/DC převodníky společnosti RECOM Power nabízejí dobrou účinnost pro levná, izolovaná, poloregulovaná spínací zařízení. Klíčovou vlastností, která je odlišuje od konkurenčních zařízení, je to, že křivka účinnosti je relativně plochá v rozsahu 20 procent až plného výstupního zatížení (obrázek 5). Při nízkém a středním výstupním zatížení vykazují konkurenční zařízení často nízkou účinnost.

Obrázek 5: Uveden je graf účinnosti vs. procento výstupního zatížení pro převodník R05C05TE05S-CT. Izolované spínací převodníky poskytují dobrou účinnost v širokém rozsahu zatížení. (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Maximální teplota přechodu (T_jmax) součásti (měřeno uprostřed horní části křemíkové formy) je obvykle podrobně popsána v katalogovém listu. Pokud zařízení nepřekročí tento limit, výrobce garantuje výkon. Provoz při vyšší než této teplotě může změnit vodivost polovodiče, že již nefunguje tak, jak bylo zamýšleno, a může dokonce způsobit trvalé poškození.

T_j u zařízení s pevným rozptylovým výkonem, jako je DC/DC regulátor, je do značné míry závislá na vnitřním vícecestném tepelném odporu (Ψ_jt) a účinnosti přenosu tepla do bezprostředního okolí. Hodnota Ψ_jt bere v úvahu všechny prostředky, kterými může teplo ze součásti unikat, včetně spodní části čipu přes desku plošných spojů. Změřit tento parametr je mimo laboratoř obtížné a často není v katalogovém listu zahrnut. Dobrým zástupcem pro Ψ_jt je θ_ja. Jde o míru tepelné impedance (R_θja) jedné tepelné cesty z křemíkové formy přímo do okolního prostředí, což je na měření jednodušší. Jednotkami R_θja jsou stupně Celsia (nebo Kelvina, K) na W (°C/W). T_j lze odhadnout z rovnice:

Konstruktéři součástí se snaží minimalizovat vnitřní tepelnou impedanci a maximalizovat vodivý a konvekční přenos tepla, aby udrželi nízké teploty součástí a zajistili uspokojivou „režii“ mezi T_j a T_jmax (obrázek 6).

Obrázek 6: Výrobci součástí specifikují maximální teplotu přechodu (T_jmax) pro aktivní zařízení, aby byla zajištěna správná funkce. Pro daný rozptylový výkon je Tj z velké části určena celkovou tepelnou impedancí součásti a okolní teplotou (T_a). (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Senzory IIoT často pracují v uzavřených prostředích se slabou ventilací. To může způsobit zvýšení okolní teploty a ta se v průmyslovém prostředí může snadno přiblížit 70 °C. Tato vysoká T_a ovlivňuje teplotní režii součásti.

Vezměme v úvahu následující příklad typického DC/DC převodníku:

Bez zvýšení nákladů a objemu díky použití chladiče by toto zařízení nebylo vhodné pro aplikaci kvůli velmi omezené teplotní režii.

Lepším řešením by bylo vybrat zařízení s rozšířeným teplotním rozsahem. Existuje mnoho komerčních DC/DC převodníků, které nabízejí T_jmax 125 °C, a několik, jako jsou řešení společnosti RECOM Power, které tuto teplotu rozšíří až na 150 °C. Za druhé, vstupní a výstupní napětí by mohla být těsněji přizpůsobena (což zvyšuje účinnost lineárního regulátoru a tím snižuje rozptylový výkon). A za třetí, konstruktér by se měl zaměřit na výběr zařízení s nejnižší tepelnou impedancí.

Vezměme v úvahu druhý příklad DC/DC převodníku vybraného s ohledem na tato kritéria:

Tato možnost poskytuje značnou teplotní režii, která pomáhá prodloužit životnost produktu.

Ke snížení tepelné impedance využívá řada RxxCTExx od společnosti RECOM Power 3D napájecí pouzdro (3DPP). Technologie 3DPP využívá ke snížení tepelné impedance výhod optimalizace materiálů, výrobních technik a různých metod přenosu tepla z přechodu do okolního prostředí, jako je technologie FCOL („Flip-Chip-On-Lead“), vestavěné integrované obvody a tepelné průchody. Tyto techniky umožňují výrobu DC/DC převodníků velikosti SOIC-16, které mohou napájet vysokou zátěž bez komplikací a nákladů na metody aktivního chlazení nebo velké pasivní chladiče. Produkty RxxC05TExxS mají R_θja 63,8 °C/W – tato hodnota se u běžných produktů pohybuje pro porovnání kolem 90 °C/W.

Za určitých okolností, například v uzavřených prostorech poblíž strojů poháněných velkými elektromotory, které vyzařují velké množství tepla, může okolní teplota stoupnout ještě výše. Pro tyto situace doporučují výrobci čipů snížení výkonu (tj. omezení výstupního výkonu zařízení, aby se snížil rozptylový výkon a následně T_j). Vezměme si například druhý DC/DC převodník podrobně popsaný výše. Zvýšení teploty na 110 °C by ponechalo teplotní režii pouze asi 38 °C, což je méně, než se doporučuje pro delší životnost produktu. Na obrázku 7 je uvedena křivka tepelného snížení výkonu pro převodník RxxC05TExxS společnosti RECOM Power.

Obrázek 7: Křivka tepelného snížení výkonu pro DC/DC převodník RxxC05TExxS společnosti RECOM Power. Výrobce doporučuje snížit výstupní výkon nad T_a = 104 °C, aby nedošlo k dlouhodobému poškození součásti. (Zdroj obrázku: společnost RECOM Power)

Závěr

Napájení bezdrátových IIoT senzorů s nízkou spotřebou pro aplikace, jako je monitorování stavu strojů, je obtížným úkolem, protože provozní prostředí je horké a špinavé. Citlivá monitorovací zařízení musí být napájena stálým, čistým stejnosměrným napětím a musí být chráněna proti vysokonapěťovým rázům běžným u průmyslových zařízení. Kromě toho je obvykle tím nejdůležitějším faktorem místo a také náklady je třeba udržovat na nízké úrovni.

Nová generace izolovaných DC/DC převodníků nyní konstruktérům pomáhá tyto výzvy splnit. Kompaktní řešení pro povrchovou montáž umožňují snadnou montáž a nabízejí požadovanou vysokou hustotu energie, prostorovou úspornost, odolnost a účinnost. Navíc nové techniky pouzder a výroby snížily tepelnou impedanci, což zařízením umožňuje pracovat v uzavřeném prostředí s vysokou teplotou bez potřeby drahých a objemných chladičů.