为机器状态监测等应用的无线工业物联网 (IIoT) 传感器供电具有挑战性。传感器必须紧凑、坚固、易于部署且价格低廉,并且可以长时间可靠地工作,几乎不需要维护。传感器故障的影响范围从丢失有关机器状况的重要数据到昂贵的维修到系统或生产线的灾难性故障。

本文详细介绍了设计人员在为状态监测应用的电池供电 IIoT 传感器构建电源时面临的挑战。然后介绍了RECOM Power的高能量密度、隔离式 DC/DC 转换器如何用作应对这些挑战的电源基础,而无需使用昂贵且笨重的散热器。

什么是状态监测?

状态监测克服了大型复杂机械和流程的预防性维护计划问题。该技术依赖于了解机器组件的状态,以便在故障发生之前对其进行维修或更换。例如,通过不断监测电机的振动特征,软件可以确定轴承的磨损状态,并推断出当前的磨损率何时会导致故障。此类信息允许工程师延长服务间隔,同时避免计划外停机(图 1)。

性能和可靠性图表

如果不进行维护,复杂的工业流程和机器最终会出现故障,从而导致停机时间延长。即使在维修后,破旧设备的重复故障仍会继续发生(底部)。预防性维护计划安排频繁的服务间隔,以确保流程和机器长时间运行,并且机器不会磨损,而是资源密集型(中)。状态监测允许延长维修间隔,同时降低维护成本(顶部)而不会出现故障风险。

IIoT 传感器是状态监测应用的不错选择。这些紧凑型设备可以机械连接到已知的机器或过程故障点附近,以提高测量精度。无线连接允许定期更新状态,而无需昂贵的通信线路。

IIoT 传感器的电源设计挑战非常艰巨。典型的应用环境很脏,可能有很多振动,温度可能非常高,危险电压很常见。空间通常非常宝贵,敏感的电子设备需要连续、干净且精确调节的直流电压。

 RECOM Power的RxxCTExx 系列等新一代隔离式 DC/DC 转换器提供了解决方案。这些紧凑型设备提供 IIoT 传感器应用所需的高能量密度、紧凑的尺寸、耐用性和效率。这些转换器采用表面贴装封装,能够提供高达 1 瓦的功率,同时占用 PC 板上的最小空间。

坚固耐用的商用 IIoT 传感器电源

封装方面的进步,例如在同一块硅片上集成电源和控制元件以及采用薄型变压器,使制造商能够为 IIoT 传感器应用提供高规格的隔离式 DC/DC 转换器。例如,RECOM Power DC/DC 转换器使用平面型变压器等设计元素将芯片高度缩小到 3 毫米 (mm) 以下(图 2)。

RECOM 的 RxxCTExx 系列示意图

RECOM 的 RxxCTExx 系列采用紧凑型表面贴装 SOIC-16 封装,外形尺寸小于 3 mm。(图片来源:RECOM Power)。使用标准 SOIC-16 封装可以使用自动化设备进行处理和组装。最后,芯片的紧凑尺寸允许将功率调节放置在更靠近负载的位置,从而简化和缩小设计。

低成本 RECOM 电源 DC/DC 转换器在5 伏输出(输出电压纹波最大为 50 毫伏 pp (mV p – p ))从标称 4.5 到5.5伏输入。转换器的输出电压与流行的有源传感器系列以及通常用于数据分析的微控制器或 DSP 前端兼容。R05C05TE05S-CT 0.5 瓦设备的输入电流为 240 毫安 (mA),而 R05CTE05S-CT 1 瓦版本的输入电流为 370 mA。这些转换器配备短路、过流和过热保护,可在 IIoT 应用中实现高可靠性。

0.5 瓦版本可在高达 100°C 的环境温度下运行而不会降额,而 1 瓦产品可在高达 72°C 的温度下使用。两种设备均符合 IEC 62368-1(信息技术设备,一般安全要求)。

DC/DC 转换器没有最低负载要求,因此适用于经常切换到极轻负载运行模式以节省能源的应用。这是 IIoT 传感器的常见操作模式。R05C05TE05S-CT 可输出 0.6 瓦(输入电流升至 255 mA)长达 60 秒 (s)。在再次访问峰值功率之前,需要三倍于峰值功率持续时间的恢复期(图 3)。

RECOM Power R05C05TE05S-CT 0.5瓦DC/DC转换器示意图

RECOM Power R05C05TE05S-CT 0.5 瓦 DC/DC 转换器可提供 0.6 瓦的峰值输出功率长达 60 秒。在再次提取峰值功率之前,需要三倍于峰值功率持续时间的恢复期。(图片来源:RECOM Power)

满足隔离需求

每当重型机械启动或停止时,IIoT 节点周围的环境都会受到高功率浪涌的影响。出于安全原因和保护脆弱的电子设备,传感器的直流电源需要与主电源隔离。

RECOM Power DC/DC 转换器使用内部变压器将输出与输入隔离。这些器件具有 3 kV DC 隔离电压(额定 60 s),并经过 1 s 测试,最大隔离电压为 3.6 kV DC。绝缘电阻(500 伏直流电,25°C)为 50 欧姆 (Ω),外部间隙 >8 mm。图 4 显示了隔离式 DC/DC 转换器的应用电路。

图 4:RECOM Power RxxC05TExxS 隔离式 DC/DC 转换器的应用电路。(图片来源:RECOM Power)

热管理的重要性

DC/DC 转换器的能量密度以瓦特每立方厘米 (W/cm 3 ) 为单位。更高的功率密度允许设计人员在不使用更大组件尺寸的情况下增加应用的可用功率,或者在缩小产品整体尺寸的同时保持功率输出。

对于 DC/DC 转换器供应商而言,提供高能量密度的关键是提高芯片的效率和/或增强其热性能——支持使用更小的封装和更高的最高工作温度。

RECOM Power DC/DC 转换器为廉价、隔离、半稳压的开关设备提供了良好的效率。从竞争设备中脱颖而出的一个关键特性是效率曲线在 20% 至全输出负载范围内相对平坦(图 5)。竞争设备通常在中低输出负载下表现出较差的效率。

RECOM R05C05TE05S-CT 的效率与输出负载百分比的关系图

显示的是 R05C05TE05S-CT 的效率与输出负载百分比的关系图。隔离式开关转换器在宽负载范围内提供良好的效率。(图片来源:RECOM Power)

组件的最高结温 (T jmax )(测量的硅芯片中心顶部)通常在数据表中详细说明。如果设备不超过此限制,制造商将保证其性能。高于此温度的操作会改变半导体的电导,使其不再按预期工作,甚至可能造成永久性损坏。

对于诸如 DC/DC 稳压器等固定功率耗散器件的T j在很大程度上取决于内部多路径热阻 (Ψ jt ),以及向直接环境传递热量的有效性。Ψ jt考虑了热量可以从组件中逸出的所有方式,包括通过印刷电路板通过芯片底部。该参数很难在实验室外测量,并且通常不包含在数据表中。Ψ jt的一个很好的代理是 θ ja;这是对从硅片直接到周围环境的单个热路径的热阻抗 (R θja ) 的测量,更易于测量。θja的单位是摄氏度(或开尔文 (K))每 W (°C/W)。T j可以从以下等式估计:

等式 1

组件设计人员的目标是尽量减少内部热阻抗,并最大限度地提高传导和对流热传递,以降低组件温度并在 T j和 T jmax之间提供令人满意的“开销” (图 6)。

组件制造商图表指定有源器件的最大结温 (Tjmax)

组件制造商指定有源器件的最大结温 (T jmax ) 以确保正常运行。对于给定的功耗,Tj 很大程度上取决于组件的总热阻抗 和环境温度 (T a )。(图片来源:RECOM Power)。IIoT 传感器通常在通风很少的狭窄环境中运行。这会导致环境温度升高,在工业环境中很容易接近 70°C。这个高 T a会影响组件的温度开销。

考虑以下典型 DC/DC 转换器的示例:

等式 2

在不通过使用散热器增加成本和体积的情况下,由于温度开销非常有限,该设备将不适合该应用。更好的解决方案是选择具有扩展温度范围的设备。有许多商用 DC/DC 稳压器可提供 125°C 的 T jmax,还有一些(例如 RECOM 电源解决方案)可将其扩展到 150°C。其次,输入和输出电压可以更紧密地匹配(这提高了线性稳压器的效率,从而降低了功耗)。第三,设计人员应该着眼于选择具有最低热阻抗的器件。

考虑根据以下标准选择的 DC/DC 转换器的第二个示例:

等式 3

此选项提供了相当大的温度开销,有助于延长产品寿命。RECOM Power 的 RxxCTExx 系列采用 3D 电源封装 (3DPP) 来降低热阻抗。3DPP 利用材料优化、制造技术和各种结到环境的热传递方法,如引线上倒装芯片 (FCOL)、嵌入式 IC 和热通孔来降低热阻抗。这些技术能够制造 SOIC-16 尺寸的 DC/DC 转换器,该转换器可以为高负载供电,而无需主动冷却方法或大型无源散热器的复杂性和成本。RxxC05TExxS 产品的 R θja为 63.8°C/W,而传统产品约为 90°C/W。

在某些情况下,例如在由散发大量热量的大型电动机驱动的机器附近的封闭空间中,环境温度可能会升高得更高。在这些情况下,芯片制造商建议降额(即限制器件的输出功率以降低功耗,进而降低Tj)。例如,考虑上面详述的第二个 DC/DC 转换器;温度上升到 110°C 只会留下大约 38°C 的温度开销,这低于延长产品寿命的建议值。图 7 显示了 RECOM Power RxxC05TExxS 的热降额曲线。

RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC 转换器的热降额曲线图

RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC 转换器的热降额曲线。制造商建议将输出功率降低到 T a = 104°C 以上,以避免对组件造成长期损坏。(图片来源:RECOM Power)

猜你喜欢

  • 集成电路发展史

    集成电路发展史

    集成电路对一般人来说也许会有陌生感,但其实我们和它打交道的机会很多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等,数不胜数。除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域,几乎都离不开集成电路的应用,当今世界,说它无孔不入并不过分。在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、智能化的基础。 无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用。 1、集成电路概述 所谓集成电路(IC) ,就是在一块极小的硅单晶片上,利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元…

    行业动态 2022年2月14日
  • 川土微代理

    川土微代理

    川土微代理商四强科技是一家以集成电路(IC)设计,集成电路方案开发及IC销售的高科技公司。建立了完整的方案设计、技术支持、市场销售体系,拥有经验丰富的研发技术团队与销售服务团队。专注为客户提供稳定可靠的集成电路方案设计定制、智能电子产品整体开发设计和技术服务。 四强科技正式代理川土微隔离产品,双方紧密合作,四强科技以“敬业、创新、励贤、感恩”作为宗旨,四强科技销售团队铭记“专业、专注、专一”的服务理念,“务实、真挚、满意”的服务执行指标,竭诚服务每一位客户。公司紧跟半导体发展步伐,不断的开拓电子…

    行业动态 2021年7月29日
  • 8位单片机的简单性

    8位单片机的简单性

    8位、32位单片机代理商深圳四强科技分享资讯:“8位单片机的简单性”。8位单片机自80年代初问世以来,在电子设备现代化中发挥了核心作用。什么是8位单片机?它们与32位单片机相比如何,并且它们的关系如何? 8位单片机的体系结构? 单片机类似于片上系统(SoC),后者通常包含CPU,内存和外围设备,而无需外部硬件来协助计算。但是,微处理器只是CPU,需要使用外部存储器、控制器和接口。术语“8位”通常是指CPU的位宽。因此,一个8位单片机就是一个包含8位CPU的单片机。这意味着内部操作针对8位数字进行…

    行业动态 2021年12月1日
  • 川土微隔离芯片特点

    CA-IS3720HS替代ADuM120N1BRZ

    川土微CA-IS3720HS替代ADuM120N1BRZ,CA-IS372X是一款高性能2通道数字隔离器具有精确的时序特性和低电源损耗。在隔离CMOS数字I/O时,CA-IS372X器件可提供高电磁抗扰度和低辐射。所有器件版本均具有施密特触发器输入,可实现高抗噪性能。每条隔离通道的逻辑输入和输出缓冲器均由二氧化硅(SiO2)绝缘栅隔离。  CA-IS3720 器件具有两个前向双通道,CA-IS3721一个前向一个反向两个通道, CA-IS3722和CA-IS3721…

    行业动态 2021年8月8日
  • 8位MCU

    8位MCU

    8位MCU单片机回归主角地位,迎来市场的第二春。2019年3月初,某品牌在MCU单片机产品发布会上,唱主角的并不是当下如日中天的32位MCU,而是淡出人们视线多时的8位MCU单片机产品。 在32位MCU大行其道的今天,让8位MCU重装上阵,让人意外又觉在情理之中。8位MCU单片机回归主角地位加速发展,主要原因自然是市场需求在那里,尽管32位MCU单片机已成嵌入式应用开发的主流,但目前8位产品依然有相当广泛的应用场景。 对于这种现象,四强科技代理的锦锐8位单片机,满足客户的使用习惯,控制MCU单片…

    行业动态 2021年6月16日
  • 霍尔开关

    光大霍尔开关

    光大霍尔开关SDC1177是一款单极性霍尔开关集成电路。它内含霍尔感应块、斩波放大器、迟滞比较器,以及开集电极输出电路。斩波放大器有效的减少由于温度、工艺、机械应力等造成的失调,提高了磁场灵敏度的一致性。芯片采用高压CMOS工艺制造,工作电压范围大,为3.0V~24V。 SDC1177低工作电压和稳定的温度特性,使得它能适用于汽车电子、工业、消费类低压应用产品。 SDC1182是一款锁存型霍尔开关集成电路。它内含霍尔感应块、斩波放大器、迟滞比较器电路。斩波放大器有效的减少由于温度、工艺、机械应力…

    行业动态 2021年8月8日
  • 芯片的硬件成本构成

    芯片的硬件成本构成

    芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的设计成本。 芯片硬件成本包括晶片成本+掩膜成本+测试成本+封装成本四部分(像ARM阵营的IC设计公司要支付给ARM设计研发费以及每一片芯片的版税,但笔者这里主要描述自主CPU和Intel这样的巨头,将购买P的成本省去),而且还要除去那些测试封装废片。 用公式表达为:芯片硬件成本=(晶片成本+测试成本+封装成本+掩膜成本)/最终成品率(对上述名称做一个简单的解释,方便普通群众理解,懂行的可以跳过),从二氧化硅到市场上出售的芯片,要经过制取工业硅、制取电子硅、再进…

    行业动态 2022年3月17日
  • 川土微隔离芯片特点

    CA-IS3720LS替代ISO7420FED

    川土微CA-IS3720LS替代ISO7420FED,CA-IS372X是一款高性能2通道数字隔离器具有精确的时序特性和低电源损耗。在隔离CMOS数字I/O时,CA-IS372X器件可提供高电磁抗扰度和低辐射。 所有器件版本均具有施密特触发器输入,可实现高抗噪性能。每条隔离通道的逻辑输入和输出缓冲器均由二氧化硅(SiO2)绝缘栅隔离。  CA-IS3720器件具有两个前向双通道,CA-IS3721一个前向一个反向两个通道, CA-IS3722和CA-IS3721通道相反,具有一个反向一个前向两个…

    行业动态 2021年7月30日
  • 半导体芯片行业

    半导体芯片行业

    在全球缺芯的背景下,芯片产业开始越发受到关注,尤其是在一些亟需芯片的产业,更是求芯若渴,恨不得自己就能生产所需的芯片。但是在西方国家垄断和打压的情况下,我国的的芯片技术上,始终都在面临的卡脖子的现状,尤其是在这几年时间,卡脖子就更加的明显。 看着国内半导体市场一片繁荣的景象,曾经打压华为中兴等一些竞争对手开始坐不住了,纷纷向全球的代工企业开出数百亿的补贴,邀请他们赴美建厂,以此来填空美国市场的半导体空虚情况。由于补贴力度很大,一时间英特尔、三星和台积电纷纷受到感召而举旗响应。 虽然这样做一方面是…

    行业动态 2021年7月4日
  • IC设计产业如何实现自身突破

    IC设计产业如何实现自身突破

    半导体行业从2021年底到现在,经过一年多的全面涨价,但随着需求的放缓和晶圆OEM产能的缓解,这也意味着半导体行业的时代已经过去经过去,IC设计产业如何实现突破?加强技术领先优势,部署产品组合仍然是重要的方式。 今年,晶圆OEM价格将继续上涨。虽然涨幅较去年大幅收敛,但由于终端客户需求仍相对稳定,IC设计作为晶圆厂和终端客户之间的三明治蛋糕,仍不能完全转移给客户。当IC价格稳定,成本上升时,利润空间也被压缩。为了保持现有的盈利能力,IC设计积极部署产品组合,提高产品销售比例,根据产品销售目标提前…

    行业动态 2022年4月4日
联系我们

联系我们

0755-2877-1865

在线咨询:点击这里给我发消息

技术咨询:131 6893 8277

工作时间:周一至周日,9:00-22:30,节假日不休

微信咨询
微信咨询
分享本页
返回顶部