Slik kan en DC-DC-omformer (likestrøm-likestrøm) velges og brukes for en isolert for en industriell IoT-sensor

Det er en utfordring å drive trådløse IIoT-sensorer (IIoT – Industrial Internet of Things) for bruksområder som maskintilstandsovervåkning. Sensorene må være kompakte, robuste, enkle å bruke og rimelige (billige), men likevel fungere pålitelig i lange perioder med lite eller intet vedlikehold. Følger av sensorfeil varierer fra manglende vitale data om maskinens tilstand til dyre reparasjoner til katastrofale svikt i systemet eller produksjonslinjen.

Denne artikkelen beskriver utfordringene utviklerne står overfor når de bygger strømforsyninger til batteridrevne IIoT-sensorer for tilstandsovervåkende konstruksjoner. Deretter beskrives hvordan isolerte høyenergi-DC-DC-omformere fra RECOM Power kan brukes som grunnlag for strømforsyninger som håndterer disse utfordringene, uten å ty til dyre og voluminøse kjøleribber.

Hva er tilstandsovervåking?

Tilstandsovervåking løser problemene med forebyggende vedlikeholdsplaner for store og komplekse maskiner og prosesser. Teknikken er avhengig av å kjenne statusen til en maskinkomponent slik at den kan vedlikeholdes eller skiftes ut i god tid før feil oppstår. For eksempel, ved å konstant overvåke vibrasjonssignaturen til en motor, kan programvaren fastsette slitasjetilstanden til et lager (kulelager) og ekstrapolere for å fastsette når den nåværende slitasjen vil forårsake et sammenbrudd. Slik informasjon gjør det mulig for teknikere å forlenge serviceintervaller, samtidig som uplanlagt nedetid unngås (figur 1).

Figur 1: Uten vedlikehold vil komplekse industrielle prosesser og maskiner til slutt svikte, noe som fører til forlenget nedetid. Selv etter reparasjon fortsetter gjentatte feil på slitt utstyr å oppstå (nederst). Forebyggende vedlikeholdsordninger planlegger hyppige serviceintervaller for å sikre at prosesser og maskiner kjører i lange perioder og at maskiner ikke slites ut, men er ressurskrevende (midten). Tilstandsovervåking gir mulighet for utvidede serviceintervaller uten risiko for feil, samtidig som vedlikeholdskostnadene senkes (øverst). (Bildekilde: RECOM Power)

IIoT-sensorer er et godt alternativ for tilstandsovervåkning. Disse kompakte enhetene kan festes mekanisk i nærheten av kjente maskin- eller prosessfeilpunkter for å forbedre målepresisjonen. Trådløs tilkobling gir mulighet for regelmessige tilstandsoppdateringer uten behov for dyre kommunikasjonsledninger.

Konstruksjonsutfordringen med strømforsyninger for IIoT-sensorer er vrien. Det typiske konstruksjonsmiljøet er skittent, det kan være kraftige vibrasjoner, temperaturer kan være svært høye og farlige spenninger er vanlige. Plassen er knapp og den følsomme elektronikken krever en kontinuerlig, ren og nøyaktig regulert likestrømsspenning.

En ny generasjon isolerte DC-DC-omformere, for eksempel RxxCTExx-serien fra RECOM Power, er en alternativ løsning. Disse kompakte enhetene gir den høye energitettheten, kompakte størrelsen, holdbarheten og virkningsgraden som trengs for IIoT-sensorkonstruksjoner. Omformerne leveres i kapslinger for overflatemontering som kan levere opptil 1 watt, samtidig som de tar minimalt med plass på kretskortet (PCB-et).

Robuste kommersielle IIoT-sensor-strømforsyninger

Fremskritt med innkapsling, som å inkludere strøm- og styringselementer på samme silisiumdel og bruke lavprofiltransformatorer, gjør det mulig for produsenter å tilby isolerte DC/DC-omformere med høye spesifikasjoner for IIoT-sensorkonstruksjoner. DC-DC-omformere fra RECOM Power bruker for eksempel designelementer som planare transformatorer til å krympe høyden på brikker (chips) til mindre enn tre mm (figur 2).

Figur 2: Recom RxxCTExx-serien leveres i kompakte overflatemonterte SOIC-16-kapslinger med en profil lavere enn 3 mm. (Bildekilde: RECOM Power)

Bruk av standard SOIC-16-kapslinger muliggjør håndtering og montering ved hjelp av automatisert utstyr. Til slutt gjør brikkenes kompakte størrelse at strømreguleringen kan plasseres mye nærmere lasten, noe som forenkler og krymper størrelsen på konstruksjonen.

De kostnadsgunstige RECOM Power DC-DC-omformerne gir 0,5 (R05C05TE05S-CT) eller 1 watt (R05CTE05S-CT) ved 5 volt utgang (utgangsspenningsrippel er maksimalt 50 millivolt pp (mV_s)) fra en nominell 4,5 til 5,5 volt inngang. Omformerens utgangsspenning er kompatibel med populære familier av aktive sensorer og mikrokontrolleren eller DSP-frontprosessorer som vanligvis brukes til dataanalyse. R05C05TE05S-CT-enheten på 0,5 watt har en inngangsstrøm på 240 milliampere (mA), mens R05CTE05S-CT-versjonen på 1 watt har en inngangsstrøm på 370 mA. Omformerne er utstyrt med beskyttelse mot kortslutning, overstrøm og overtemperatur for å gi høy pålitelighet i IIoT-konstruksjoner.

0,5-watt-versjonen kan operere i omgivelsestemperaturer på opptil 100 °C uten effektminskning, mens 1-watt-produktet kan brukes i opptil 72 °C. Begge enhetene er i samsvar med IEC 62368-1 (informasjonsteknologiutstyr, generelle krav til sikkerhet).

DC-DC-omformerne har ingen krav til minste belastning, noe som gjør dem egnet for bruksområder som ofte går over til moduser med drift av svært lette laster for å spare energi. Dette er en vanlig driftsmodus for IIoT-sensorer. R05C05TE05S-CT kan sende ut 0,6 watt (med en inngangsstrøm som stiger til 255 mA) i opptil 60 sekunder. Det kreves en gjenopprettingsperiode på tre ganger den maksimale effektvarigheten før maksimal effekt kan nås igjen (figur 3).

Figur 3: RECOM Power R05C05TE05S-CT 0,5 watt DC-DC-omformer kan levere en maksimal utgangseffekt på 0,6 watt i opptil 60 s. Det kreves en gjenopprettingsperiode på tre ganger den maksimale effektvarigheten før maksimal effekt kan trekkes ut igjen. (Bildekilde: RECOM Power)

Møter isolasjonskrav

Miljøet rundt IIoT-noden er utsatt for høye strømstøt når tungt maskineri startes eller stoppes. Av sikkerhetsgrunner og for å beskytte skjør elektronikk, krever sensorens likestrømforsyning isolasjon fra hovedforsyningen.

RECOM Power DC-DC-omformerne bruker en intern transformator for å isolere utgangen fra inngangen. Enhetene har en 3 kV DC isolasjonsspenning (klassifisert for 60 s) og er testet i 1 s til en maksimal isolasjonsspenning på 3,6 kV DC. Isolasjonsmotstanden (500 volt DC, 25 °C) er 50 gigaohm (GΩ), og den eksterne klaringen er >8 mm. Figur 4 viser en konstruksjonskrets for den isolerte DC-DC-omformeren.

Figur 4: Kretsoppsettet for RECOM Power RxxC05TExxS isolerte DC-DC-omformer. (Bildekilde: RECOM Power)

Betydningen av termisk styring

Energitettheten til en DC-DC-omformer måles i watt per kubikkcentimeter (W/cm³). Høyere effekttetthet gjør det mulig for konstruktøren å øke effekten som er tilgjengelig for konstruksjonen uten å bruke en større komponentstørrelse, eller å opprettholde effektuttaket mens du krymper produktets samlede dimensjoner.

For leverandører av DC-DC-omformere er nøkkelen til å tilby høy energitetthet å øke brikkens virkningsgrad og/eller forbedre dens termiske ytelse – noe som muliggjør bruk av mindre kapsling og høyere maksimal driftstemperatur.

RECOM Power DC-DC-omformerne gir god virkningsgrad for billige, isolerte, halvregulerte (semiregulerte) vekslingsenheter. Et viktig trekk som skiller dem fra konkurransedyktige enheter, er at virkningsgradskurven er relativt flat på tvers av lastområdet på 20 prosent til full effekt (figur 5). Konkurransedyktige enheter viser ofte dårlig virkningsgrad ved lave og middels utgangslaster.

Figur 5: Vist her er en graf over virkningsgrad kontra utgangslast i prosent for R05C05TE05S-CT. De isolerte vekslingsomformerne leverer god virkningsgrad over et bredt lastintervall. (Bildekilde: RECOM Power)

Den maksimale overgangstemperaturen (T_jmax) for en komponent (målt sentertopp på silisiumplaten) er vanligvis beskrevet i databladet. Forutsatt at enheten ikke overskrider denne grensen, garanterer produsenten ytelse. Drift over denne temperaturen kan endre konduktansen til halvlederen slik at den ikke lenger fungerer som tiltenkt, og til og med kan forårsake permanent skade.

T_j for en fast effektspredningsinnretning, for eksempel en DC/DC-regulator, er i stor grad avhengig av den interne termiske motstanden (Ψ_jt), og effektiviteten av varmeoverføring til det umiddelbare miljøet. Ψ_jt tar i betraktning alle måtene som varme kan slippe ut fra komponenten på, inkludert gjennom bunnen av brikken via kretskortet (PCB-et). Denne parameteren er vanskelig å måle utenfor laboratoriet og er ofte ikke inkludert i databladet. En god proxy for Ψ_jt er θ_ja; dette er et mål på den termiske impedansen (R_θja) av en enkelt varmebane fra silisiumdysen direkte til det omgivende miljøet som er enklere å måle. Enhetene R_θja er grader celsius (eller Kelvin (K)) per W (°C/W). T_j kan estimeres ut fra ligningen:

Komponentkonstruktører har som mål å minimere intern termisk impedans og maksimere ledende og konvektiv varmeoverføring for å holde komponentens temperaturer lave og gi tilfredsstillende «margin» mellom T_j og T_jmax (figur 6).

Figur 6: Komponentprodusenter angir en maksimal grenseskikttemperatur (T_jmax) for en aktiv enhet for å sikre riktig drift. For en gitt effektavledning, fastsettes Tj i stor grad av komponentens totale termiske impedans og omgivelsestemperaturen (T_a). (Bildekilde: RECOM Power)

IIoT-sensorer brukes ofte i miljøer med lite ventilasjon og begrenset plass. Dette kan føre til at omgivelsestemperaturen stiger, og den kan lett nærme seg 70 °C i industrimiljøer. Denne høye T_a påvirker komponentens temperaturmargin.

Ta i betraktning følgende eksempel for en typisk DC-DC-omformer:

Uten å legge til kostnader og volum ved bruk av en kjøleribbe, vil denne enheten være uegnet for konstruksjonen på grunn av den svært begrensede temperaturmarginen.

En bedre løsning ville være å velge en enhet med et utvidet temperaturområde. Det er mange kommersielle DC/DC-regulatorer som tilbyr en T_jmax på 125 °C, og noen få, for eksempel RECOM Power-løsningen, som utvider det til 150 °C. For det andre kan inngangs- og utgangsspenningene bli bedre matchet (noe som øker virkningsgraden til en lineær regulator og dermed senker effekttap). Og for det tredje bør konstruktøren se etter å velge enheten med den laveste termiske impedansen.

Se for deg et annet eksempel for en DC-DC-omformer med følgende kriterier i tankene:

Dette alternativet gir en betydelig temperaturmargin som bidrar til å forlenge produktets levetid.

RECOM Power sin RxxCTExx-serie bruker 3DPP-kapsling (3D power packaging) til å senke varmeimpedansen. 3DPP drar nytte av materialoptimalisering, produksjonsteknikker og en rekke metoder for varmeoverføring fra koblingspunkt-til-omgivelser, slik som FCOL (flip-chip-on-lead), innebygde IC-er og termiske baner (vias) for å senke varmeimpedansen. Disse teknikkene muliggjør produksjon av SOIC-16-dimensjonerte DC-DC-omformere som kan drive høye laster uten komplikasjonene og kostnadene til aktive kjølemetoder eller store passive kjøleribber. RxxC05TExxS-produktene har en R_θja på 63,8°C/W, sammenlignet med rundt 90°C/W for konvensjonelle produkter.

Under visse omstendigheter, for eksempel i lukkede rom nær maskiner drevet av store elektromotorer som utstråler mye varme, kan omgivelsestemperaturen stige enda høyere. I disse situasjonene anbefaler brikkeprodusentene lastreduksjon/effektminskning (dvs. begrense enhetens utgangseffekt for å redusere effekttap, og i sin tur T_j). Ta for eksempel den andre DC-DC-omformeren som er beskrevet ovenfor, i betraktning: En temperaturøkning til 110 °C vil bare etterlate rundt 38 °C temperaturmargin, noe som er mindre enn anbefalt for forlenget produktlevetid. Figur 7 viser kurven for termisk effektminskning for RECOM Power RxxC05TExxS.

Figur 7: Kurve for termisk effektminskning for RECOM Power RxxC05TExxS isolerte DC-DC-omformer. Produsenten anbefaler å redusere utgangseffekten over T_a = 104 °C for å unngå langvarig skade på komponenten. (Bildekilde: RECOM Power)

Konklusjon

Det er en betydelig oppgave å drive trådløse IIoT-sensorer med lavt energiforbruk for konstruksjoner, for eksempel overvåking av maskintilstandsovervåkning, da driftsmiljøet er varmt og skittent. Følsomme overvåkingsenheter må forsynes med en jevn, ren likestrømsspenning og beskyttes mot overspenningsstøt som er vanlig for industrielt utstyr. I tillegg er plassen vanligvis knapp og dyrebar, og kostnadene må holdes nede.

En ny generasjon isolerte DC-DC-omformere hjelper nå konstruktører med å møte disse utfordringene. Kompakte løsninger for overflatemontering gjør monteringen enkel, og tilbyr den høye energitettheten, plassbesparelsen, holdbarheten og effektiviteten som kreves. I tillegg har nye kapslings- og produksjonsteknikker redusert varmeimpedansen (termisk impedans), slik at enhetene kan fungere i lukkede miljøer med høy temperatur, uten behov for dyre og store kjøleribber.