Hur man väljer och använder en isolerad DC/DC-omvandlare för en industriell IoT-sensor

Det är en utmaning att strömförsörja trådlösa sensorer för Industrial Internet of Things (IIoT) för tillämpningar som tillståndsövervakning av maskiner. Givarna måste vara kompakta, robusta, lätta att installera och billiga, men ändå fungera tillförlitligt under långa perioder med lite eller inget underhåll. Givarfel kan leda till allt från att viktig information om maskinens tillstånd saknas, till dyra reparationer och katastrofala fel på systemet eller produktionslinjen.

Artikeln beskriver de utmaningar som konstruktörer ställs inför när de bygger strömförsörjningar för batteridrivna IIoT-sensorer för tillståndsövervakning. Därefter beskrivs hur isolerade DC/DC-omvandlare med hög energitäthet från RECOM Power kan användas som grund för nätaggregat som hanterar dessa utmaningar, utan att behöva använda dyra och skrymmande kylflänsar.

Vad är tillståndsövervakning?

Tillståndsövervakning löser problemen med förebyggande underhållsscheman för stora och komplicerade maskiner och processer. Tekniken bygger på att man vet statusen för en maskindel så att den kan underhållas eller bytas ut i god tid innan något fel inträffar. Genom att ständigt övervaka en motors vibrationssignatur kan programmet till exempel fastställa slitage på ett lager och extrapolera detta för att avgöra när den nuvarande slitagetakten kommer att orsaka ett haveri. Sådan information gör det möjligt för ingenjörer att förlänga serviceintervallen och undvika oplanerade driftstopp (figur 1).

Figur 1: Utan underhåll, blir det så småningom fel på komplicerade industriella processer och maskiner, vilket medför långa driftstopp. Även efter reparation fortsätter upprepade fel på utsliten utrustning att inträffa (nederst). Förebyggande underhållsprogram schemalägger frekventa serviceintervaller för att säkerställa att processer och maskiner fungerar under långa perioder och att maskinerna inte slits ut, men de är resurskrävande (mitten). Tillståndsövervakning gör det möjligt att förlänga serviceintervallen utan risk för fel vilket sänker underhållskostnaderna (överst). (Bildkälla: RECOM Power)

IIoT-givare är ett bra alternativ för tillämpningar med tillståndsövervakning. De kompakta enheterna kan fästas mekaniskt nära kända felpunkter på maskiner eller i processer för att öka mätningens noggrannhet. Trådlös uppkoppling möjliggör regelbundna uppdateringar av tillståndet utan behov av dyra kommunikationskablar.

Det är en svår utmaning att konstruera strömförsörjningar för IIoT-givare. Den typiska tillämpningsmiljön är smutsig, det kan förekomma mycket vibrationer, temperaturen kan vara mycket hög och farliga spänningar är vanliga. Utrymmet är ofta begränsat och den känsliga elektroniken kräver en kontinuerlig, ren och noggrant reglerad likspänning.

En ny generation av isolerade DC/DC-omvandlare som RxxCTExx-serien från RECOM Power erbjuder en lösning. Dessa kompakta enheter ger den höga energitäthet, kompakta storlek, hållbarhet och effektivitet som behövs i tillämpningar med IIoT-givare. Omvandlarna levereras i kapslingar för ytmontage som kan ge upp till 1 W samtidigt som kräver ett minimalt utrymme på kretskortet.

Robusta kommersiella strömförsörjningar för IIoT-givare

Framsteg inom kapslingsteknik, som att t.ex. integrera kraft- och styrelement på samma kiselplatta och använda transformatorer med låg profil, gör det möjligt för tillverkarna att erbjuda isolerade DC/DC-omvandlare med höga specifikationer för tillämpningar med IIoT-givare. DC/DC-omvandlarna från RECOM Power använder exempelvis konstruktionselement som transformatorer av planartyp för att minska kretshöjden till mindre än tre millimeter (figur 2).

Figur 2: Serien RxxCTExx från RECOM levereras i kompakta ytmonterade SOIC-16-kapslingar med en profil på mindre än 3 mm. (Bildkälla: RECOM Power)

Användningen av standard SOIC-16-kapslingar möjliggör hantering och montering med automatiserad utrustning. Kretsens kompakta storlek gör att effektregleringen kan placeras mycket närmare belastningen, vilket förenklar och krymper konstruktionen.

De billiga DC/DC-omvandlarna från RECOM Power ger 0,5 (R05C05TE05S-CT) eller 1 W (R05CTE05S-CT) vid 5 V utgång (utgångsspänningens rippel är högst 50 mV_p-p) från en nominell ingång på 4,5 till 5,5 V. Omvandlarnas utgångsspänning är kompatibel med populära familjer av aktiva givare och de mikrokontroller eller DSP-frontenheter som vanligtvis används vid dataanalys. Enheten R05C05TE05S-CT på 0,5 W har en inström på 240 mA, medan modellen R05CTE05S-CT på 1 W har en inström på 370 mA. Omvandlarna är utrustade med skydd mot kortslutning, överström och övertemperatur för hög tillförlitlighet i IIoT-tillämpningar.

Versionen på 0,5 W kan användas i omgivningstemperaturer upp till 100 °C utan försämring, medan produkten på 1 W kan användas upp till 72 °C. Båda enheterna uppfyller kraven i IEC 62368-1 (Informationsteknisk utrustning, allmänna säkerhetskrav).

DC/DC-omvandlarna har inget krav på minsta belastning, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar som ofta växlar till mycket låg belastning för att spara energi. Detta är ett vanligt driftssätt för IIoT-givare. R05C05TE05S-CT kan mata ut 0,6 W (med en inström som stiger till 255 mA) i upp till 60 sekunder. Det krävs en återhämtningsperiod på tre gånger toppeffektens varaktighet innan toppeffekten kan nås igen (figur 3).

Figur 3: DC/DC-omvandlaren R05C05TE05S-CT på 0,5 W från RECOM Power kan leverera en toppeffekt på 0,6 W i upp till 60 sekunder. Det krävs en återhämtningsperiod på tre gånger toppeffektens varaktighet innan toppeffekten kan uppnås igen. (Bildkälla: RECOM Power)

Att uppfylla kraven på isolering

Miljön runt IIoT-noden utsätts för höga strömtoppar när tunga maskiner startas eller stoppas. Av säkerhetsskäl och för att skydda känslig elektronik måste givarens likströmsmatningar isoleras från huvudmatningen.

DC/DC-omvandlarna från RECOM Power använder en intern transformator för att isolera utgången från ingången. Enheterna har en isoleringsspänning på 3 kV DC (60 s) och testas under 1 s till en maximal isoleringsspänning på 3,6 kV DC. Isoleringsmotståndet (500 V DC, 25 °C) är 50 GΩ och det yttre avståndet är >8 mm. Figur 4 visar en tillämpningskrets för den isolerade DC/DC-omvandlaren.

Figur 4: Tillämpningskrets för den isolerade DC/DC-omvandlaren RxxC05TExxS från RECOM Power. (Bildkälla: RECOM Power)

Vikten av värmestyrning

Energitätheten hos en DC/DC-omvandlare mäts i (W/cm³). Högre effekttäthet gör det möjligt för konstruktören att öka den tillgängliga effekten i tillämpningen utan att använda en större komponentstorlek, eller att bibehålla uteffekten samtidigt som produktens totalmått minskas.

För leverantören av DC/DC-omvandlaren, är nyckeln till hög energitäthet att öka kretsens effektivitet och/eller förbättra dess termiska prestanda - vilket gör det möjligt att använda en mindre kapsling och en högre maximal driftstemperatur.

DC/DC-omvandlare från RECOM Power har en god effektivitet för billiga, isolerade, halvreglerade switchningsenheter. En viktig egenskap som skiljer dem från konkurrenternas enheter är att effektivitetskurvan är relativt platt i intervallet från 20 procent till full belastning (figur 5). Konkurrerande enheter har ofta dålig effektivitet vid låga och medelhöga belastningar.

Figur 5: Här visas ett diagram över verkningsgraden i förhållande till procentuell utgångslast för R05C05TE05S-CT. De isolerade switcharna har god verkningsgrad i ett brett belastningsområde. (Bildkälla: RECOM Power)

Den maximala övergångstemperaturen för en komponent (T_jmax) (mätt mitt ovanpå kiselplattan) anges vanligtvis i databladet. Tillverkaren garanterar prestandan om enheten inte överskrider denna gräns. Drift över denna temperatur kan förändra halvledarens ledningsförmåga så att den inte längre fungerar som avsett och kan till och med orsaka bestående skador.

T_j för en enhet med fast effektförlust, som t.ex. en DC/DC-regulator, beror till stor del på det interna värmemotståndet (Ψ_jt) och effektiviteten i värmeöverföringen till den närmaste omgivningen. Ψ_jt tar hänsyn till alla de sätt på vilka värmen kan komma ut från komponenten, inklusive genom kretsens undersida via kretskortet. Denna parameter är svår att mäta utanför laboratoriet och ingår ofta inte i databladet. Ett bra mått på Ψ_jt is θ_ja, som är ett mått på den termiska impedansen (R_θja) för en enda värmebana från kiselplattan direkt till den omgivande miljön, vilket är enklare att mäta. Enheterna för R_θja är grader Celsius (eller Kelvin (K)) per W (°C/W). T_j kan uppskattas med hjälp av ekvationen:

Komponentkonstruktörer strävar efter att minimera den interna termiska impedansen och maximera den konduktiva och konvektiva värmeöverföringen för att hålla komponenttemperaturen nere och ge ett tillfredsställande "spelrum" mellan T_j och T_jmax (figur 6).

Figur 6: Komponenttillverkare anger en högsta övergångstemperatur för en aktiv enhet (T_jmax) för att säkerställa korrekt funktion. För en given effektförlust bestäms Tj till stor del av komponentens totala termiska impedans och omgivningstemperaturen (T_a). (Bildkälla: RECOM Power)

IIoT-sensorer arbetar ofta i slutna miljöer med liten ventilation. Detta kan leda till att omgivningstemperaturen stiger, och den kan lätt närma sig 70 °C i industriella miljöer. Denna höga T_a påverkar komponentens övergripande temperatur.

Se följande exempel för en typisk DC/DC-omvandlare:

Utan att öka kostnaden och volymen genom användning av en kylfläns skulle denna enhet vara olämplig för tillämpningen på grund av den mycket begränsade övergripande temperaturen.

En bättre lösning vore att välja en enhet med ett utökat temperaturområde. Det finns många kommersiella DC/DC-regulatorer med en T_jmax på 125 °C och några få, som RECOM Power-lösningen, som sträcker sig upp till 150 °C. För det andra kan in- och utspänningarna anpassas bättre (vilket ökar verkningsgraden hos en linjär regulator och därmed minskar effektförlusten). För det tredje bör konstruktören försöka välja den enhet som har den lägsta termiska impedansen.

Ta ett andra exempel på en DC/DC-omvandlare som väljs med dessa kriterier i åtanke:

Det här alternativet ger ett betydande spelrum för temperaturen som bidrar till att förlänga produktens livslängd.

Serien RxxCTExx från RECOM Power använder 3D power packaging (3DPP) för att sänka den termiska impedansen. 3DPP drar nytta av materialoptimering, tillverkningsteknik och en mängd olika metoder för värmeöverföring från förgrening till omgivning, t.ex. flip-chip-on-lead (FCOL), inbäddade integrerade kretsar och termiska lödpunkter för att sänka den termiska impedansen. Dessa tekniker gör det möjligt att tillverka DC/DC-omvandlare i SOIC-16-storlek som kan driva höga belastningar utan komplikationer och kostnader för aktiva kylmetoder eller stora passiva kylflänsar. RxxC05TExxS-produkterna har en R_θja på 63,8 °C/W, jämfört med cirka 90 °C/W för konventionella produkter.

Under vissa omständigheter, t.ex. i slutna utrymmen nära maskiner som drivs av stora elmotorer som avger mycket värme, kan den omgivande temperaturen stiga ännu mer. I dessa situationer rekommenderar kretstillverkarna att man sänker effekten (dvs. begränsar enhetens uteffekt för att minska effektförlusten och därmed T_j). Om temperaturen stiger till 110 °C skulle det bara finnas ett spelrum för temperaturen på cirka 38 °C kvar, vilket är mindre än vad som rekommenderas för en förlängd livslängd för produkten. Figur 7 visar kurvan för termisk försämring för RxxC05TExxS från RECOM Power.

Figur 7: Termisk försämringskurva för DC/DC-omvandlaren RxxC05TExxS från RECOM Power. Tillverkaren rekommenderar en minskning av uteffekten över T_a = 104 °C för att undvika långvariga skador på komponenten. (Bildkälla: RECOM Power)

Sammanfattning

Att driva trådlösa IIoT-givare med låg effekt för tillämpningar som t.ex. tillståndsövervakning av maskiner är en stor uppgift eftersom driftsmiljön är varm och smutsig. Känsliga övervakningsenheter måste förses med en jämn, ren likspänning och skyddas mot de högspänningstoppar som är vanliga i industriell utrustning. Utrymmet är dessutom ofta begränsat och kostnaderna måste hållas nere.

En ny generation isolerade DC/DC-omvandlare hjälper nu konstruktörer att hantera dessa utmaningar. Kompakta ytmonterade lösningar möjliggör enkel montering och erbjuder den höga energitäthet, platsbesparing, hållbarhet och effektivitet som efterfrågas. Dessutom har nya kapslings- och tillverkningstekniker sänkt den termiska impedansen, vilket gör det möjligt för enheterna att fungera i slutna miljöer med höga temperaturer utan behov av dyra och skrymmande kylflänsar.