Hoe kies en gebruik je een geïsoleerde DC/DC-convertor voor een industriële IoT-sensor?

Het voeden van draadloze Industrial Internet of Things (IIoT) sensoren voor toepassingen zoals machineconditiebewaking is een uitdaging. De sensoren moeten compact, robuust, gemakkelijk te gebruiken en goedkoop zijn, en toch gedurende lange perioden betrouwbaar functioneren met weinig of geen onderhoud. De gevolgen van sensorstoringen variëren van het missen van vitale gegevens over de toestand van de machine tot dure reparaties en een catastrofale uitval van het systeem of de productielijn.

Dit artikel beschrijft de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het bouwen van voedingen voor batterijgevoede IIoT-sensoren voor conditiebewakingstoepassingen. Vervolgens wordt beschreven hoe geïsoleerde DC/DC-omzetters met hoge energiedensiteit van RECOM Power kunnen worden gebruikt als basis voor voedingen die deze uitdagingen aangaan, zonder gebruik te maken van dure en omvangrijke koellichamen.

Wat is conditiebewaking?

Conditiebewaking maakt een einde aan de problemen van preventieve onderhoudsschema's voor grote en complexe machines en processen. De techniek berust op het kennen van de status van een machinecomponent, zodat deze kan worden onderhouden of vervangen lang voordat er storingen optreden. Door bijvoorbeeld voortdurend de trillingssignatuur van een motor te volgen, kan de software de slijtagetoestand van een lager bepalen en extrapoleren om te bepalen wanneer de huidige slijtagesnelheid een defect zou veroorzaken. Met dergelijke informatie kunnen technici de onderhoudsintervallen verlengen en ongeplande uitvaltijd voorkomen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Zonder onderhoud gaan complexe industriële processen en machines uiteindelijk stuk, met langdurige stilstand tot gevolg. Zelfs na reparatie blijven zich herhaalde defecten van versleten apparatuur voordoen (onder). Preventieve onderhoudsprogramma's plannen frequente onderhoudsbeurten om ervoor te zorgen dat processen en machines lang blijven draaien en niet verslijten, maar zijn middelenintensief (midden). Conditiebewaking maakt langere onderhoudsintervallen mogelijk zonder risico op defecten en verlaagt de onderhoudskosten (boven). (Bron afbeelding: RECOM Power)

IIoT-sensoren zijn een goede optie voor conditiebewakingstoepassingen. Deze compacte toestellen kunnen dicht bij bekende machine- of processtoringspunten mechanisch worden bevestigd om de meetnauwkeurigheid te verhogen. Draadloze connectiviteit maakt regelmatige conditie-updates mogelijk zonder de noodzaak van dure communicatiebekabeling.

De uitdaging bij het ontwerpen van de stroomvoorziening voor IIoT-sensoren is groot. De typische toepassingsomgeving is vuil, er kan veel trilling zijn, de temperaturen kunnen zeer hoog oplopen en gevaarlijke spanningen zijn aan de orde van de dag. De ruimte is vaak beperkt, en de gevoelige elektronica vereist een continue, schone en nauwkeurig geregelde gelijkspanning.

Een nieuwe generatie geïsoleerde DC/DC-convertors, zoals de RxxCTExx-serie van RECOM Power, biedt een oplossing. Deze compacte apparaten bieden de hoge energiedichtheid, compacte afmetingen, duurzaamheid en efficiëntie die nodig zijn voor IIoT-sensortoepassingen. De converters worden geleverd in opbouwverpakkingen die tot 1 watt kunnen leveren terwijl ze minimale ruimte op de printplaat innemen.

Robuuste commerciële IIoT-sensorvoedingen

Dankzij de vooruitgang op het vlak van verpakking, zoals de integratie van vermogens- en besturingselementen op hetzelfde stuk silicium en het gebruik van transformatoren met een laag profiel, kunnen fabrikanten geïsoleerde DC/DC-converters met hoge specificaties aanbieden voor IIoT-sensortoepassingen. De RECOM Power DC/DC-convertors, bijvoorbeeld, maken gebruik van ontwerpelementen zoals transformatoren van het planaire type om de hoogte van de chips te beperken tot minder dan drie millimeter (mm) (figuur 2).

Afbeelding 2: De RECOM RxxCTExx serie wordt geleverd in compacte SOIC-16 opbouwverpakkingen met een profiel van minder dan 3 mm. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Het gebruik van standaard SOIC-16 verpakkingen maakt het hanteren en assembleren met behulp van geautomatiseerde apparatuur mogelijk. Ten slotte kan dankzij de compacte afmetingen van de chips de vermogensregeling veel dichter bij de belasting worden geplaatst, waardoor het ontwerp eenvoudiger en kleiner wordt.

De goedkope RECOM Power DC/DC-convertors leveren 0,5 watt (R05C05TE05S-CT) of 1 watt(R05CTE05S-CT) bij een uitgang van 5 volt (de uitgangsspanningsrimpel bedraagt maximaal 50 millivolt p-p (mV_p-p)) uit een nominale ingang van 4,5 tot 5,5 volt. De uitgangsspanning van de converters is compatibel met populaire families van actieve sensoren en de microcontroller of DSP front-ends die gewoonlijk worden gebruikt voor gegevensanalyse. Het R05C05TE05S-CT 0,5 watt-apparaat heeft een ingangsstroom van 240 milliampère (mA), terwijl de R05CTE05S-CT 1 watt-versie een ingangsstroom heeft van 370 mA. De convertors zijn uitgerust met kortsluit-, overstroom- en overtemperatuurbeveiliging voor hoge betrouwbaarheid in IIoT-toepassingen.

De 0,5-watt versie kan zonder derating werken bij omgevingstemperaturen tot 100 °C, terwijl het 1-watt product kan worden gebruikt tot 72 °C. Beide apparaten voldoen aan IEC 62368-1(Apparatuur voor informatietechniek, Algemene eisen voor de veiligheid).

De DC/DC-omzetters hebben geen vereiste minimumbelasting, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die vaak overschakelen op een zeer lichte belasting om energie te besparen. Dit is een gebruikelijke werkingswijze voor IIoT-sensoren. De R05C05TE05S-CT kan 0,6 watt uitsturen (bij een ingangsstroom die stijgt tot 255 mA) gedurende maximaal 60 seconden (s). Er is een herstelperiode van driemaal de duur van het piekvermogen nodig voordat het piekvermogen weer kan worden bereikt (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De RECOM Power R05C05TE05S-CT 0,5 watt DC/DC-convertor kan een piek uitgangsvermogen leveren van 0,6 watt gedurende maximaal 60 s. Er is een herstelperiode van driemaal de duur van het piekvermogen nodig voordat weer piekvermogen kan worden afgenomen. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Voldoen aan isolatie-eisen

De omgeving rond het IIoT-knooppunt is onderhevig aan hoge stroompieken telkens wanneer zware machines worden gestart of gestopt. Om veiligheidsredenen en ter bescherming van kwetsbare elektronica moeten de gelijkspanningsvoedingen van de sensor worden geïsoleerd van de hoofdvoeding.

De RECOM Power DC/DC-convertors gebruiken een interne transformator om de uitgang te isoleren van de ingang. De apparaten hebben een isolatiespanning van 3 kV gelijkstroom (nominaal voor 60 s) en zijn getest gedurende 1 s tot een maximale isolatiespanning van 3,6 kV gelijkstroom. De isolatieweerstand (500 volt gelijkstroom, 25°C) is 50 gig ohm (GΩ) en de uitwendige vrije ruimte is >8 mm. Figuur 4 toont een toepassingscircuit voor de geïsoleerde DC/DC-omzetter.

Afbeelding 4: Toepassingscircuit voor de RECOM Power RxxC05TExxS geïsoleerde DC/DC-convertor. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Het belang van thermisch beheer

De energiedichtheid van een DC/DC converter wordt gemeten in watt per kubieke centimeter (W/cm³). Een hogere vermogensdichtheid stelt de ontwerper in staat het beschikbare vermogen voor de toepassing te verhogen zonder een grotere componentgrootte te gebruiken, of het afgegeven vermogen te handhaven terwijl de totale afmetingen van het product worden verkleind.

Voor de leverancier van DC/DC-convertor is de sleutel tot een hoge energiedichtheid het verhogen van de efficiëntie van de chip en/of het verbeteren van de thermische prestaties - waardoor het gebruik van een kleinere verpakking en een hogere maximale bedrijfstemperatuur mogelijk worden.

De RECOM Power DC/DC-convertors bieden een goed rendement voor goedkope, geïsoleerde, semi-geregelde schakelapparatuur. Een belangrijk kenmerk dat deze toestellen onderscheidt van concurrerende toestellen is dat de rendementscurve relatief vlak is in het bereik van 20 procent tot volledige belasting van het uitgangsvermogen (Afbeelding 5). Concurrerende toestellen vertonen vaak een laag rendement bij lage en middelhoge vermogensbelastingen.

Afbeelding 5: Weergegeven is een grafiek van het rendement ten opzichte van de procentuele uitgangsbelasting voor de R05C05TE05S-CT. De geïsoleerde schakelende convertors leveren een goed rendement over een breed belastingsbereik. (Bron afbeelding: RECOM Power)

De maximale junctietemperatuur (T_jmax) van een component (gemeten in het midden van de siliciummatrijs) wordt meestal vermeld in het gegevensblad. Op voorwaarde dat het toestel deze limiet niet overschrijdt, garandeert de fabrikant de prestaties. Bij gebruik boven deze temperatuur kan de geleiding van de halfgeleider zodanig veranderen dat hij niet meer de beoogde prestaties levert en zelfs permanente schade kan veroorzaken.

T_j voor een apparaat met vaste vermogensdissipatie, zoals een DC/DC-regelaar, hangt grotendeels af van de interne meerwegs-weerstand (Ψ_jt), en de doeltreffendheid van de warmteoverdracht naar de directe omgeving. Ψ_jt houdt rekening met alle manieren waarop warmte uit het onderdeel kan ontsnappen, inclusief door de onderkant van de chip via de printplaat. Deze parameter is buiten het laboratorium moeilijk te meten en wordt vaak niet in het gegevensblad vermeld. Een goede benadering van Ψ_jt is θ_ja; dit is een maat voor de thermische impedantie (R_θja) van één enkel warmtepad van de siliciummatrijs rechtstreeks naar de omgeving, die eenvoudiger te meten is. De eenheden van R_θja zijn graden Celsius (of Kelvin (K)) per W (°C/W). T_jkan worden geschat uit de vergelijking:

Componentenontwerpers streven ernaar de interne thermische impedantie te minimaliseren en de geleidings- en convectiewarmteoverdracht te maximaliseren om de componenttemperaturen laag te houden en een bevredigende "overhead" tussen T_j enT_jmax te bereiken (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Componentenfabrikanten specificeren een maximale junctietemperatuur (T_jmax) voor een actief apparaat om een goede werking te garanderen. Voor een gegeven vermogensdissipatie wordt Tj grotendeels bepaald door de totale thermische impedantie van de component ( en de omgevingstemperatuur (T_a). (Bron afbeelding: RECOM Power)

IIoT-sensoren werken vaak in besloten omgevingen met weinig ventilatie. Hierdoor kan de omgevingstemperatuur oplopen, en in industriële omgevingen kan deze gemakkelijk de 70°C benaderen. Deze hoge T_a beïnvloedt de temperatuursoverhead van het onderdeel.

Neem het volgende voorbeeld van een typische DC/DC converter:

Zonder extra kosten en volume door het gebruik van een koellichaam, zou dit toestel ongeschikt zijn voor de toepassing wegens de zeer beperkte temperatuursoverhead.

Een betere oplossing zou zijn een toestel te kiezen met een groter temperatuurbereik. Er zijn veel DC/DC-regelaars in de handel die een T_jmax van 125°C bieden, en een paar, zoals de RECOM Power oplossing, die dat uitbreiden tot 150 °C. Ten tweede kunnen de ingangs- en uitgangsspanning beter op elkaar worden afgestemd (waardoor de efficiëntie van een lineaire regelaar toeneemt en het vermogensverlies dus afneemt). En ten derde moet de ontwerper proberen het apparaat met de laagste thermische impedantie te kiezen.

Beschouw een tweede voorbeeld van een DC/DC-convertor die met deze criteria in gedachten is geselecteerd:

Deze optie zorgt voor een aanzienlijke temperatuuroverschrijding, waardoor de levensduur van het product wordt verlengd.

De RxxCTExx-serie van RECOM Power maakt gebruik van 3D power packaging (3DPP) om de thermische impedantie te verlagen. 3DPP maakt gebruik van de optimalisering van materialen, fabricagetechnieken en diverse methoden voor warmteoverdracht van junctie naar omgeving, zoals flip-chip-on-lead (FCOL), ingebedde IC's en thermische vias om de thermische impedantie te verlagen. Deze technieken maken de fabricage mogelijk van DC/DC-omzetters van SOIC-16-formaat die hoge belastingen kunnen voeden zonder de complicatie en kosten van actieve koelingsmethoden of grote passieve koellichamen. De RxxC05TExxS-producten hebben een R_θja van 63,8 °C/W, vergeleken met ongeveer 90 °C/W voor conventionele producten.

In bepaalde omstandigheden, bijvoorbeeld in gesloten ruimten in de buurt van machines die worden aangedreven door grote elektromotoren die veel warmte uitstralen, kan de omgevingstemperatuur nog hoger oplopen. In dergelijke situaties bevelen chipfabrikanten derating aan (d.w.z. beperking van het uitgangsvermogen van het apparaat om de vermogensdissipatie en daarmee_Tj te verlagen). Neem bijvoorbeeld de tweede DC/DC-omzetter die hierboven is beschreven; bij een temperatuurstijging tot 110°C zou er slechts ongeveer 38°C overblijven, wat minder is dan aanbevolen voor een langere levensduur van het product. Afbeelding 7 toont de thermische deratingcurve voor de RECOM Power RxxC05TExxS.

Afbeelding 7: Thermische derating curve voor RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC-convertor. De fabrikant beveelt aan het uitgangsvermogen boven T_a = 104 °C te verlagen om langdurige beschadiging van de component te voorkomen. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Conclusie

Het voeden van draadloze IIoT-sensoren met laag vermogen voor toepassingen, zoals machineconditiebewaking, is een aanzienlijke opgave omdat de operationele omgeving warm en vuil is. Gevoelige bewakingsapparatuur moet worden gevoed met een constante, schone gelijkspanning en moet worden beschermd tegen de hoge spanningspieken die gebruikelijk zijn bij industriële apparatuur. Bovendien is ruimte meestal schaars en moeten de kosten laag worden gehouden.

Een nieuwe generatie geïsoleerde DC/DC-convertors helpt ontwerpers nu deze uitdagingen aan te gaan. Compacte opbouwoplossingen maken eenvoudige montage mogelijk en bieden de gevraagde hoge energiedichtheid, ruimtebesparing, duurzaamheid en efficiëntie. Bovendien hebben nieuwe verpakkings- en fabricagetechnieken de thermische impedantie verlaagd, waardoor de apparaten kunnen werken in gesloten omgevingen met hoge temperaturen zonder dat dure en omvangrijke koellichamen nodig zijn.