如何为工业物联网传感器选择和使用隔离式DC/DC转换器

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)

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