Tento článek podrobně popisuje návrh napájecího systému pro IoT senzor. Dále se budeme věnovat izolovaným DC/DC měničům od RECOM Power a jejich použití jako základ napájecích zdrojů a to bez použití objemného chladiče.
Sledování stavu stroje
Sledování stavu stroje předchází komplikovaným opravám průmyslových systémů. Díky sledování stavu stroje lze opravit nebo vyměnit porouchaný komponent v dostatečném předstihu, než dojde k poruše. Například nepřetržitým sledováním vibrací motoru může software určit stav opotřebení ložiska a kdy je nutné ložisko vyměnit než dojde k jeho zadření nebo dokonce prasknutí. Tyto informace umožňují prodloužit servisní intervaly a zároveň se vyhnout neplánovaným prostojům (obrázek 1).
Obrázek 1: Bez údržby mohou složité průmyslové procesy a stroje selhat, a to má za následek prodloužené prostoje. I po opravě nadále dochází k opakovaným poruchám opotřebovaného komponentu (dole). Schémata preventivní údržby počítají s častými servisními intervaly, aby se zajistilo, že procesy poběží po dlouhou dobu a stroje se neopotřebují (střední část). Sledování stavu stroje umožňuje prodloužené servisní intervaly bez rizika poruchy a zároveň snižuje náklady na údržbu (nahoře). (Zdroj obrázku: RECOM Power)
IoT senzory jsou ideální volbou pro monitorování stavu. Tato kompaktní zařízení lze mechanicky připevnit blízko míst selhání stroje, aby se zvýšila přesnost měření. Bezdrátová konektivita umožňuje pravidelné aktualizace stavu bez nutnosti drahé komunikační kabeláže. Průmyslové prostředí je špinavé, kde dochází k velkým vibracím a senzory čelí vysokým teplotám a elektromagnetickému rušení. Citlivá snímací elektronika vyžaduje čisté a přesně regulované stejnosměrné napětí. K tomuto účelu je vhodná nová generace izolovaných DC/DC měničů RxxCTExx Series od RECOM Power. Tyto měniče poskytují vysokou hustotu energie, kompaktní velikost, vysokou odolnost a velkou účinnost. Měniče jsou k dispozici v pouzdrech určenou pro povrchovou montáž, které jsou schopny dodat výkon až 1 watt při minimální zabrané ploše na desce plošných spojů.
Odolné napájecí zdroje pro průmyslové senzory
DC/DC měniče RECOM Power používají transformátory planárního typu, a díky tomu dochází ke zmenšení výšky čipu na méně než tři milimetry (obrázek 2).
Obrázek 2: Řada RxxCTExx RECOM se dodává v kompaktních pouzdrech SOIC-16 pro povrchovou montáž s výškou menší než 3 mm. (Zdroj obrázku: RECOM Power)
Použití standardního pouzdra SOIC-16 umožňuje manipulaci a montáž pomocí automatizovaného osazovacího stroje. Kompaktní velikost čipů umožňuje umístit regulaci výkonu mnohem blíže k zátěži, a to zjednodušuje a zmenšuje design. Měniče RECOM Power DC/DC poskytují 0,5 W ( R05C05TE05S-CT ) nebo 1 W ( R05CTE05S-CT ) při výstupním napětí 5 V (zvlnění výstupního napětí je maximálně 50 mV p-p ).
R05C05TE05S-CT pro maximální výkon potřebuje vstupní proud 240 mA, zatímco verze R05CTE05S-CT potřebuje vstupní proud 370 mA. Měniče jsou vybaveny ochranou proti zkratu, nadproudu a přehřátí. 0,5-wattová verze může pracovat při okolní teplotě až 100 °C bez snížení výkonu, zatímco 1-wattovou verzi lze používat do 72 °C. Obě verze jsou v souladu s IEC 62368-1 ( Zařízení informačních technologií, Obecné požadavky na bezpečnost ).
DC/DC měniče nemají žádné požadavky na minimální zatížení, a to je činí vhodnými pro aplikace, které se často přepínají do provozních režimů s velmi nízkou spotřebou. Běžný provozní režim průmyslového senzoru je následující. R05C05TE05S-CT může poskytovat špičkový výkon až 0,6 wattu (se vstupním proudem 255 mA) po dobu až 60 sekund. Před opětovným přechodem ke špičkovému výkonu je zapotřebí času obnovy v délce trojnásobku trvání špičkového výkonu (obrázek 3).
Obrázek 3: DC/DC měnič RECOM Power R05C05TE05S-CT 0,5 W dokáže dodat špičkový výstupní výkon 0,6 W po dobu až 60 s. Před opětovným odběrem špičkového výkonu je vyžadována doba obnovy v délce trojnásobku trvání špičkového výkonu. (Zdroj obrázku: RECOM Power)
Splnění požadavků na izolaci
Průmyslový senzor je vystaven vysokým proudovým rázům, kdykoli se spouští nebo zastavuje těžká technika. Z bezpečnostních důvodů a pro ochranu křehké elektroniky vyžadují stejnosměrné napájecí zdroje senzoru důkladnou izolaci od hlavního napájení. DC/DC měniče RECOM Power používají interní transformátor k oddělení výstupu od vstupu. Měniče se vyznačují izolačním napětím 3 kV DC (po dobu 60 s) a jsou testovány po dobu 1 s na maximální izolační napětí 3,6 kV DC. Izolační odpor při 500 V DC a teplotě 25°C je 50 GΩ a vnější mezera je větší než 8 mm. Obrázek 4 ukazuje aplikační obvod pro izolovaný DC/DC měnič.
Obrázek 4: Aplikační obvod pro izolovaný DC/DC měnič RECOM Power RxxC05TExxS. (Zdroj obrázku: RECOM Power)
Význam tepelného managementu
Hustota energie DC/DC měniče se měří ve wattech na krychlový centimetr (W/cm3). Vyšší hustota výkonu umožňuje konstruktérovi zvýšit výkon dostupný pro danou aplikaci bez použití větší velikosti součástek nebo zachovat výstupní výkon při zmenšení celkových rozměrů produktu.
DC/DC měniče RECOM Power nabízejí dobrou účinnost pro izolované, polo regulované spínací napájení. Klíčovou vlastností, která RECOM měniče odlišuje od konkurenčních měničů je to, že křivka účinnosti je relativně plochá v rozsahu 20 procent až plného výstupního zatížení (obrázek 5). Konkurenční měniče často vykazují nízkou účinnost při nízkém a středním výstupním zatížení.
Obrázek 5: Znázornění účinnosti vs. procenta výstupního zatížení pro R05C05TE05S-CT. Izolované spínací měniče poskytují dobrou účinnost v širokém rozsahu zatížení. (Zdroj obrázku: RECOM Power)
Maximální teplota přechodu Tjmax měřena uprostřed horní části křemíkové matrice je obvykle podrobně uvedena v datovém listu. Pokud zařízení nepřekročí tento limit, výrobce garantuje uvedený výkon. Provoz nad touto teplotou může změnit vodivost polovodiče tak, že již nefunguje tak, jak bylo zamýšleno, a může dokonce způsobit trvalé poškození.
Teplota Tj pro měnič s pevným ztrátovým výkonem, jako je DC/DC měnič, do značné míry závisí na vnitřním vícecestném tepelném odporu (Ψjt ) a účinnosti přenosu tepla do okolí. Vícecestný tepelný odpor Ψjt zvažuje všechny prostředky, kterými může teplo unikat ze součástky, včetně spodní části čipu přes desku plošných spojů. Tento parametr je obtížné měřit mimo laboratoř a často není zahrnut v datovém listu.
Vnitřní tepelný odpor Ψjt spolu s vnější tepelnou impedancí tvoří celkový tepelný odpor θja. Tepelná impedance Rθja jediné tepelné cesty z křemíkové matrice přímo do okolního prostředí se udává v jednotkách °C/W. Tj lze odhadnout z rovnice:
Konstruktéři komponent se snaží minimalizovat vnitřní tepelnou impedanci a dosáhnout maximálního konvekčního přenosu tepla, aby se udržely nízké teploty uvnitř komponenty a zajistila se uspokojivá „režie“ mezi Tj a Tjmax (obrázek 6).
Obrázek 6: Výrobci komponent specifikují maximální teplotu přechodu (Tjmax ), aby byla zajištěna správná funkce. Pro daný ztrátový výkon je Tj z velké části určen celkovou tepelnou impedancí součástky a okolní teplotou (T a ). (Zdroj obrázku: RECOM Power)
Průmyslové senzory často fungují v uzavřených prostředích s malou ventilací. To může způsobit zvýšení okolní teploty a v průmyslovém prostředí se může snadno přiblížit 70 °C. Tato vysoká hodnota Ta ovlivňuje teplotní režii komponenty. Příklad typického DC/DC měniče:
Bez použití chladiče by snadno došlo k přehřátí a k dokonce poškození součástky. Řešením je zvolení měniče s rozšířeným teplotním rozsahem. Existuje mnoho DC/DC měničů, které nabízejí maximální teplotu Tjmax 125 °C, ale je jen několik měničů které mají maximální teplotu 150 °C. Mezi tyto měniče patří právě ty od RECOM Power. Pro zvýšení účinnosti je vhodné zvolit minimální odstup vstupního a výstupního napětí. A dále je vhodné zvolit měnič s nejnižší tepelnou impedancí.
Druhý příklad DC/DC měniče:
Tato možnost poskytuje značnou teplotní režii, která pomáhá prodloužit životnost produktu. Řada RxxCTExx od RECOM Power využívá 3D napájení (3DPP) ke snížení tepelné impedance. 3DPP využívá výhod optimalizace materiálů, výrobních technik a různých metod přenosu tepla do okolního prostředí, jako je flip-chip-on-lead (FCOL). Tyto techniky umožňují výrobu DC/DC měničů velikosti SOIC-16, které mohou napájet vysokou zátěž bez komplikací a bez použití aktivního nebo pasivního chlazení. Měniče RxxC05TExxS mají Rθja 63,8 °C/W, ve srovnání s přibližně 90 °C/W u běžně dostupných měničů.
Za určitých okolností, například v uzavřených prostorách poblíž strojů poháněných velkými elektromotory, které vyzařují velké množství tepla, může okolní teplota stoupnout ještě výše. V těchto situacích výrobci čipů doporučují snížení výkonu (tj. omezení výstupního výkonu zařízení na nižší ztrátový výkon a tím i nižší Tj ). Vezměme si například DC/DC měnič podrobně popsaný výše. Zvýšení teploty na 110 °C by ponechalo pouze asi 38 °C teploty nad mezí, a to je méně, než se doporučuje pro prodlouženou životnost produktu. Obrázek 7 ukazuje křivku tepelného snížení výkonu pro RECOM Power RxxC05TExxS.
Obrázek 7: Křivka tepelného snížení pro DC/DC měnič RECOM Power RxxC05TExxS. Výrobce doporučuje snížit výstupní výkon nad T a = 104°C, aby nedošlo k dlouhodobému poškození součásti. (Zdroj obrázku: RECOM Power)
Závěr
Napájení nízkoenergetických bezdrátových průmyslových senzorů pro aplikace, jako je monitorování strojů, není jednoduchým úkolem, jelikož se jedná o provozní prostředí, které je špinavé a panují tam vysoké teploty. Citlivá monitorovací zařízení musí být napájena stálým, čistým stejnosměrným napětím a musí být chráněna proti vysokonapěťovým rázům, které jsou běžné v průmyslových zařízení. Nová generace izolovaných DC/DC měničů nyní pomáhá konstruktérům splnit tyto výzvy.
Kompaktní řešení pro povrchovou montáž umožňují snadnou montáž a nabízejí požadovanou vysokou hustotu energie, prostorovou úsporu, odolnost vůči drsným provozním podmínkám a vysokou účinnost. Navíc díky novým pouzdrům je lze použít i v uzavřeném prostředí s vysokou teplotou bez potřeby drahých a objemných chladičů.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem jsou redaktoři Digikey.
