Cum se selectează și se utilizează un convertor c.c./c.c. izolat pentru un senzor IoT industrial

Alimentarea cu energie a senzorilor fără fir pentru Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) pentru aplicații precum monitorizarea condiționării utilajelor reprezintă o provocare. Senzorii trebuie să fie compacți, rezistenți, ușor de implementat și ieftini, dar să funcționeze fiabil pe perioade lungi de timp, cu puțină întreținere sau chiar fără întreținere. Implicațiile defecțiunilor senzorilor variază de la lipsa datelor vitale despre condiția utilajelor, la reparații costisitoare și până la defecțiuni catastrofale ale sistemului sau ale liniei de producție.

Acest articol detaliază provocările cu care se confruntă proiectanții atunci când construiesc surse de alimentare pentru senzorii IIoT alimentați cu baterii pentru aplicații de monitorizare a condiției. Apoi descrie modul în care convertoarele c.c./c.c. izolate, de înaltă densitate energetică, de la RECOM Power pot fi folosite ca bază pentru sursele de alimentare care abordează aceste provocări, fără a recurge la radiatoare costisitoare și voluminoase.

Ce este monitorizarea condiției?

Monitorizarea condiției ajută la remedierea problemelor legate de programele de întreținere preventivă pentru utilaje și procese mari și complexe. Tehnica se bazează pe cunoașterea stării unei componente a mașinii, astfel ca aceasta să poată fi reparată sau înlocuită cu mult înainte de apariția defecțiunii. De exemplu, prin monitorizarea constantă a semnăturii vibrațiilor unui motor, software-ul poate determina starea de uzură a unui rulment și poate face extrapolări pentru a determina momentul în care rata curentă de uzură ar cauza o defecțiune. Astfel de informații le permit inginerilor să prelungească intervalele de service, evitând în același timp opririle neplanificate (Figura 1).

Figura 1: în lipsa întreținerii, procesele și utilajele industriale complexe ajung să se defecteze, ceea ce duce la întreruperi prelungite ale activității. Chiar și după reparații, defecțiunile repetate ale echipamentelor uzate continuă să apară (jos). Schemele de întreținere preventivă programează intervale frecvente de service pentru a asigura funcționarea proceselor și a utilajelor pe perioade lungi și pentru ca acestea să nu se uzeze, dar sunt mari consumatoare de resurse (mijloc). Monitorizarea condiției permite prelungirea intervalelor de service fără riscul de defecțiune, reducând în același timp costurile de întreținere (sus). (Sursa imaginii: RECOM Power)

Senzorii IIoT sunt o opțiune bună pentru aplicațiile de monitorizare a condiției. Aceste dispozitive compacte pot fi atașate mecanic în apropierea punctelor de defecțiune cunoscute ale utilajului sau ale procesului pentru a spori precizia măsurătorilor. Conectivitatea fără fir permite actualizări regulate ale condiției, fără a fi nevoie de cabluri de comunicare costisitoare.

Provocarea legată de proiectarea sursei de alimentare pentru senzorii IIoT este una dificilă. Mediul tipic al aplicațiilor este murdar, pot exista multe vibrații, temperaturile pot fi foarte ridicate, iar tensiunile periculoase sunt evenimente obișnuite. Spațiul este deseori limitat, iar componentele electronice sensibile necesită o tensiune c.c. continuă, curată și precis reglată.

O nouă generație de convertoare c.c./c.c. izolate, cum ar fi seria RxxCTExx de la RECOM Power, vin cu o soluție. Aceste dispozitive compacte oferă densitatea energetică ridicată, dimensiunea compactă, durabilitatea și eficiența necesare pentru aplicațiile senzorilor IIoT. Convertoarele sunt furnizate în pachete cu montare pe suprafață capabile să furnizeze până la 1 watt, ocupând un spațiu minim pe placa de circuite imprimate.

Surse de alimentare robuste pentru senzori IIoT din comerț

Progresele în materie de încapsulare, cum ar fi încorporarea elementelor de alimentare și de control pe aceeași bucată de siliciu și utilizarea transformatoarelor cu profil scăzut, permit producătorilor să ofere convertoare c.c./c.c. izolate cu specificații înalte pentru aplicațiile senzorilor IIoT. Convertoarele c.c./c.c. RECOM Power, de exemplu, utilizează elemente de proiectare, cum ar fi transformatoarele de tip planar, pentru a reduce înălțimea cipurilor la mai puțin de trei milimetri (mm) (Figura 2).

Figura 2: seria RxxCTExx de la RECOM este furnizată în pachete compacte SOIC-16 cu montare pe suprafață, cu un profil mai mic de 3 mm. (Sursa imaginii: RECOM Power)

Utilizarea pachetelor standard SOIC-16 permite manipularea și asamblarea cu echipamente automatizate. În cele din urmă, dimensiunea compactă a cipurilor permite ca elementul de reglare a puterii să fie plasat mult mai aproape de sarcină, simplificând și micșorând designul.

Convertoarele c.c./c.c. ieftine RECOM Power oferă 0,5 (R05C05TE05S-CT) sau 1 watt (R05CTE05S-CT) la o ieșire de 5 volți (ondulația tensiunii de ieșire este de maxim 50 de milivolți p-p (mV_p-p)) de la o intrare nominală de la 4,5 până la 5,5 volți. Tensiunea de ieșire a convertoarelor este compatibilă cu familiile populare de senzori activi și cu microcontrolerul sau front-end-urile DSP utilizate în mod obișnuit pentru analiza datelor. Dispozitivul R05C05TE05S-CT de 0,5 wați are un curent de intrare de 240 miliamperi (mA), în timp ce versiunea R05CTE05S-CT de 1 watt are un curent de intrare de 370 mA. Convertoarele sunt echipate cu protecție la scurtcircuit, supracurent și supratemperatură pentru o fiabilitate ridicată în aplicațiile IIoT.

Versiunea de 0,5 wați poate funcționa la temperaturi ambiante de până la 100 °C fără reducerea sarcinii de funcționare, în timp ce produsul de 1 watt poate fi utilizat până la 72 °C. Ambele dispozitive sunt conforme cu IEC 62368-1 (Echipamente pentru tehnologia informației, cerințe generale de siguranță).

Convertoarele c.c./c.c. nu au cerințe minime de sarcină, ceea ce le face potrivite pentru aplicații care trec adesea în moduri de funcționare cu sarcină foarte redusă pentru economii de energie. Acesta este un mod obișnuit de funcționare pentru senzorii IIoT. R05C05TE05S-CT poate emite 0,6 wați (cu un curent de intrare care crește până la 255 mA) timp de până la 60 de secunde (s). Înainte de a se putea accesa din nou puterea de vârf este nevoie de o perioadă de recuperare de trei ori mai mare decât durata puterii de vârf (Figura 3).

Figura 3: convertorul c.c./c.c. de 0,5 wați R05C05TE05S-CT de la RECOM Power poate furniza o putere de ieșire de vârf de 0,6 wați timp de până la 60 s. Înainte de a putea fi atinsă din nou puterea de vârf este nevoie de o perioadă de recuperare de trei ori mai mare decât durata puterii de vârf. (Sursa imaginii: RECOM Power)

Satisfacerea cerințelor de izolare

Mediul din jurul nodului IIoT este supus unor supratensiuni mari de energie ori de câte ori sunt pornite sau oprite utilaje grele. Din motive de siguranță și pentru a proteja componentele electronice fragile, sursele de alimentare de curent continuu ale senzorului trebuie să fie izolate de alimentarea principală.

Convertoarele c.c./c.c. RECOM Power utilizează un transformator intern pentru a izola ieșirea față de intrare. Dispozitivele dispun de o tensiune de izolare de 3 kV c.c. (cu o durată nominală de 60 s) și sunt testate timp de 1 s la o tensiune de izolare maximă de 3,6 kV c.c. Rezistența de izolație (500 volți c.c., 25 °C) este de 50 giga ohmi (GΩ), iar spațiul liber extern este >8 mm. Figura 4 prezintă un circuit de aplicație pentru convertorul c.c./c.c. izolat.

Figura 4: circuitul de aplicație pentru convertorul c.c./c.c. izolat RECOM Power RxxC05TExxS. (Sursa imaginii: RECOM Power)

Importanța managementului termic

Densitatea de energie a unui convertor c.c./c.c. se măsoară în wați pe centimetru cub (W/cm³). O densitate de putere mai mare permite proiectantului să crească puterea disponibilă pentru aplicație fără a utiliza o componentă de dimensiuni mai mari sau să mențină puterea de ieșire în timp ce reduce dimensiunile totale ale produsului.

Pentru furnizorul de convertoare c.c./c.c., cheia pentru a oferi o densitate energetică ridicată este creșterea eficienței cipului și/sau îmbunătățirea performanțelor sale termice - permițând utilizarea unui pachet mai mic și a unei temperaturi maxime de funcționare mai ridicate.

Convertoarele c.c./c.c. RECOM Power oferă o eficiență bună pentru dispozitive de comutare ieftine, izolate și semi-reglementate. O caracteristică cheie care le diferențiază de dispozitivele concurente este curba de eficiență, care este relativ plată în intervalul de sarcină de la 20% la întreaga sarcină de ieșire (Figura 5). Dispozitivele concurente prezintă adesea o eficiență slabă la sarcini de ieșire mici și medii.

Figura 5: este prezentat un grafic al eficienței în funcție de procentul de sarcină de ieșire pentru R05C05TE05S-CT. Convertoarele de comutare izolate oferă o eficiență bună pe o gamă largă de sarcini. (Sursa imaginii: RECOM Power)

Temperatura maximă de joncțiune (T_jmax) a unei componente (măsurată în partea centrală de sus a matriței de siliciu) este, de obicei, detaliată în fișa tehnică. Cu condiția ca dispozitivul să nu depășească această limită, producătorul garantează performanța. Funcționarea la temperaturi mai mari decât această temperatură poate să modifice conductanța semiconductorului, astfel încât acesta nu mai funcționează conform destinației și poate să provoace chiar daune permanente.

T_j pentru un dispozitiv cu disipare de putere fixă, cum ar fi un regulator c.c./c.c., depinde în mare măsură de rezistența termică internă cu căi multiple (Ψ_jt) și de eficacitatea transferului de căldură către mediul înconjurător apropiat. Ψ_jt ia în considerare toate mijloacele prin care căldura poate scăpa din componentă, inclusiv prin partea de jos a cipului, prin placa de circuite imprimate. Acest parametru este dificil de măsurat în afara laboratorului și adesea nu este inclus în fișa de date. Un înlocuitor bun pentru Ψ_jt este θ_ja; aceasta este o măsură a impedanței termice (R_θja) a unei singure căi de căldură de la matrița de siliciu direct în mediul ambiant, care este mai simplu de măsurat. Unitățile de măsură ale R_θja sunt gradele Celsius (sau Kelvin (K)) pe W (°C/W). T_j poate fi estimată din ecuația:

Proiectanții de componente urmăresc să reducă la minimum impedanța termică internă și să maximizeze transferul de căldură prin conducție și convecție pentru a menține temperaturile componentelor la un nivel scăzut și pentru a asigura un „spațiu disponibil” satisfăcător între T_j și T_jmax (Figura 6).

Figura 6: producătorii de componente specifică o temperatură maximă de joncțiune (T_jmax) pentru un dispozitiv activ pentru a asigura o funcționare corectă. Pentru o disipare de putere specificată, Tj este determinată în mare măsură de impedanța termică totală a componentei și de temperatura ambiantă (T_a). (Sursa imaginii: RECOM Power)

Senzorii IIoT funcționează adesea în medii limitate, cu ventilație redusă. Acest lucru poate duce la creșterea temperaturii ambientale, care se poate apropia cu ușurință de 70 °C în mediile industriale. Acest nivel ridicat de T_a afectează spațiul disponibil al temperaturii pentru componentă.

Luați în considerare următorul exemplu pentru un convertor c.c./c.c. tipic:

Fără a adăuga costuri și volum prin utilizarea unui radiator, acest dispozitiv ar fi nepotrivit pentru această aplicație din cauza unui spațiu disponibil foarte limitat pentru temperatură.

O soluție mai bună ar fi selectarea unui dispozitiv cu un interval de temperatură extins. Există multe regulatoare c.c./c.c. comerciale care oferă o T_jmax de 125 °C și câteva, cum ar fi soluția RECOM Power, care o extind până la 150 °C. În al doilea rând, tensiunile de intrare și de ieșire ar putea fi mai bine adaptate (ceea ce sporește eficiența unui regulator liniar și, prin urmare, reduce disiparea de putere). În al treilea rând, proiectantul ar trebui să încerce să selecteze dispozitivul cu cea mai mică impedanță termică.

Luați în considerare un al doilea exemplu pentru un convertor c.c./c.c. selectat, ținând cont de aceste criterii:

Această opțiune oferă un spațiu disponibil considerabil în ceea ce privește temperatura, ajutând la prelungirea duratei de viață a produsului.

Seria RxxCTExx de la RECOM Power utilizează pachetul de putere 3D (3DPP) pentru reducerea impedanței termice. 3DPP folosește optimizarea materialelor, tehnicile de fabricație și o varietate de metode de transfer de căldură de la joncțiune la mediul înconjurător, cum ar fi flip-chip-on-lead (FCOL), circuite integrate și conducte termice pentru reducerea impedanței termice. Aceste tehnici permit fabricarea de convertoare c.c./c.c. de dimensiuni SOIC-16 care pot alimenta sarcini mari fără complicațiile și costurile metodelor de răcire activă sau ale radiatoarelor pasive de mari dimensiuni. Produsele RxxC05TExxS au un R_θja de 63,8 °C/W, în comparație cu aproximativ 90 °C/W pentru produsele convenționale.

În anumite circumstanțe, de exemplu în spații închise în apropierea utilajelor acționate de motoare electrice mari care radiază multă căldură, temperatura ambiantă poate crește și mai mult. În aceste situații, producătorii de cipuri recomandă reducerea sarcinii de funcționare (adică limitarea puterii de ieșire a dispozitivului pentru a reduce disiparea de putere și, în consecință, T_j). De exemplu, luați în considerare cel de-al doilea convertor c.c./c.c. detaliat mai sus; o creștere a temperaturii până la 110 °C ar lăsa un spațiu disponibil pentru temperatură de numai aproximativ 38 °C, ceea ce este mai puțin decât se recomandă pentru o durată de viață extinsă a produsului. Figura 7 prezintă curba de reducere a sarcinii termice pentru RECOM Power RxxC05TExxS.

Figura 7: curba de reducere a sarcinii termice pentru convertorul c.c./c.c. RECOM Power RxxC05TExxS. Producătorul recomandă reducerea puterii de ieșire peste T_a = 104 °C pentru a evita deteriorarea pe termen lung a componentei. (Sursa imaginii: RECOM Power)

Concluzie

Alimentarea senzorilor IIoT fără fir cu consum redus de energie pentru aplicații, cum ar fi monitorizarea condiționării utilajelor, reprezintă o sarcină considerabilă, deoarece mediul operațional este fierbinte și murdar. Dispozitivele de monitorizare sensibile trebuie să fie alimentate cu o tensiune c.c. constantă și curată și să fie protejate împotriva supratensiunilor ridicate, frecvente în echipamentele industriale. În plus, spațiul este, de obicei, foarte limitat, iar costurile trebuie să fie menținute la un nivel scăzut.

O nouă generație de convertoare c.c./c.c. izolate ajută acum proiectanții să facă față acestor provocări. Soluțiile compacte cu montare pe suprafață permit o asamblare ușoară și oferă densitatea energetică ridicată, economisirea spațiului, durabilitatea și eficacitatea necesare. În plus, tehnicile noi de ambalare și de fabricație au redus impedanța termică, permițând dispozitivelor să funcționeze în medii închise, la temperaturi ridicate, fără a fi nevoie de radiatoare costisitoare și voluminoase.