Wybór izolowanego konwertera DC/DC do przemysłowego czujnika IoT

W niniejszym artykule opisano problemy stojące przed projektantami podczas realizacji systemów zasilania do czujników IIoT. Opisane zostanie, w jaki sposób izolowane konwertery DC/DC o dużej gęstości mocy firmy Recom Power mogą być wykorzystywane w takim przypadku, zapewniając niezbędną energię bez konieczności sięgania po drogie i nieporęczne radiatory.

Czym jest monitorowanie stanu maszyn?

Monitorowanie stanu maszyn to ciągły nadzór urządzeń, który rozwiązuje problemy związane z ich okresową konserwacją w celu zapobiegania uszkodzeniom. Polega na poznaniu znajomości stanu komponentu w maszynie, tak aby można go było serwisować lub wymieniać na długo przed wystąpieniem awarii. Na przykład, stale monitorując sygnaturę drgań silnika, oprogramowanie może określić stan zużycia łożyska i przeprowadzić ekstrapolację, aby określić, kiedy przy bieżącym schemacie użycia spowodowałaby ona awarię. Takie informacje pozwalają inżynierom wydłużyć okresy międzyserwisowe, jednocześnie zapobiegając nieplanowanym przestojom (rys. 1).

 

Rys. 1. Bez okresowej konserwacji urządzenia przemysłowe i maszyny w końcu się psują, co skutkuje przestojami i stratami. Nawet po naprawie powtarzające się awarie nadal występują (na dole). Regularna obsługa techniczna i częste okresy międzyserwisowe zapewniają brak przestojów, ale wymagają dużych zasobów (w środku). Monitorowanie stanu pozwala na wydłużenie okresów międzyobsługowych bez ryzyka awarii przy jednoczesnym obniżeniu kosztów serwisowych (u góry)

Czujniki IIoT są podstawowym komponentem do realizacji systemów monitorowania stanu maszyn. Są one umieszczane w pobliżu potencjalnie problematycznych miejsc w maszynach lub procesach w celu zwiększenia precyzji pomiaru. Komunikacja bezprzewodowa umożliwia wymianę danych bez konieczności montażu okablowania.

Każdy taki czujnik musi być zasilany, a wyzwania dotyczące projektowania zasilaczy do takich celów są trudne. Typowe środowisko pracy jest źródłem problemów, bo wibracje, wysoka temperatura, zakłócenia i niebezpieczne napięcia są istotnymi zagrożeniami. Co więcej, dostępna przestrzeń montażowa jest często mała, a zasilanie musi być stabilne.

Nowa generacja izolowanych przetwornic DC/DC, takich jak seria Rxx- CTExx firmy Recom Power, jest kierowana właśnie do takich zastosowań. Te kompaktowe rozwiązania charakteryzują się dużą gęstością mocy, trwałością i dużą sprawnością wymaganą w opisanych zastosowaniach. Konwertery te są produkowane w obudowach do montażu powierzchniowego, dostarczają na wyjściu do 1 wata mocy i jednocześnie zajmują minimalną ilość miejsca na płytce drukowanej.

Niezawodne zasilacze do czujników IIoT

Rozwój technologii pakowania i obudów podzespołów elektronicznych, coraz większa integracja pozwalająca umieszczać w jednej strukturze krzemowej tranzystory mocy i sterowniki oraz niskoprofilowe (planarne) transformatory pozwoliły na wypuszczenie na rynek nowej klasy izolowanych przetwornic DC/DC o wysokich parametrach, w obudowie takiej samej jak układy scalone i przy wysokości nieprzekraczającej 3 mm (rys. 2).

Standardowa obudowa SOIC-16 umożliwia montaż automatyczny, a mały rozmiar konwerterów pozwala na umieszczenie ich na płytce blisko obciążenia, upraszczając i zmniejszając całą konstrukcję. Są to niedrogie rozwiązania zapewniające moc wyjściową 0,5 W (R05C05TE05S-CT) lub 1 W (R05CTE05S-CT) przy napięciu wyjściowym 5 V i tętnieniach maksymalnie 50 mVpp (przy zasilaniu napięciem wejściowym 4,5–5,5 V). 5-woltowe napięcie wyjściowe nadaje się do zasilania większości układów cyfrowych, mikrokontrolerów i DSP powszechnie używanych do analizy danych. Przetwornice są wyposażone w zabezpieczenia zwarciowe, nadprądowe i termiczne zapewniające wysoką niezawodność.

 

Rys. 2. Seria przetwornic RxxCTExx firmy Recom jest wytwarzana w obudowach SMD o wysokości poniżej 3 mm

 

Rys. 3. Przetwornica DC/DC R05C05TE05S-CT o mocy 0,5 W może dostarczać w szczycie 0,6 W przez maksymalnie 60 s. Przed kolejnym przeciążeniem wymagany jest odstęp na jej ochłodzeni

Wersja 0,5-watowa może działać w temperaturze otoczenia nawet 100°C bez konieczności obniżania wartości znamionowych (deratingu), a wersja 1-watowa pracuje w środowisku do 72°C. Oba konwertery są zgodne z normą bezpieczeństwa IEC 62368-1.

Przetwornice DC/DC nie wymagają minimalnego obciążenia, co czyni je odpowiednimi do zastosowań, w których elektronika często przełącza się w oszczędnościowy tryb pracy i stanowi bardzo małe obciążenie. Jest to typowy schemat działania czujników IIoT. R05C05TE05S-CT pozwala na przeciążanie do 0,6 W przez 1 minutę, z tym że po takim działaniu wymagany jest trzykrotnie dłuższy czas wychłodzenia przed kolejnym zwiększonym poborem mocy (rys. 3).

Rola jakości izolacji galwanicznej

Czujniki IIoT działające w zakładzie przemysłowym są narażone na duże wahania napięcia zasilającego oraz przepięcia, gdy maszyny są uruchamiane lub zatrzymywane. Stąd ze względów bezpieczeństwa oraz w celu ochrony delikatnej elektroniki zasilacze do takich czujnika wymagają zapewnienia izolacji galwanicznej od głównego źródła energii.

Przetwornice Recom Power wykorzystują do tego celu wewnętrzny, zintegrowany transformator wytrzymujący napięcie probiercze 3 kVDC (przez 60 s). W czasie produkcji są testowane przez 1 s do przy napięciu 3,6 kVDC. Rezystancja izolacji (500 VDC, 25°C) wynosi 50 GΩ, przy odstępie izolacyjnym (clearance) > 8 mm. Rysunek 4 przedstawia schemat aplikacyjny.

 

Rys. 4. Schemat aplikacyjny izolowanego konwertera DC/DC RxxC05TExxS

Maksymalna temperatura złącza (T_jmax) dla tego układu komponentu jest podawana w kartach katalogowych i nie powinna być przekraczana. W przypadku przetwornicy DC/DC tego typu wartość w dużej mierze zależy od wewnętrznej rezystancji termicznej (Ψ_jt) oraz skuteczności przekazywania ciepła do otoczenia (rozpraszania). Ψ_jt łączy wszystkie drogi, którymi ciepło może być odebrane z elementu, w tym przez spód obudowy za pośrednictwem płytki drukowanej. Ten parametr jest trudny do zmierzenia i często nie jest uwzględniany w specyfikacji. Dobrym zamiennikiem dla Ψ_jt jest θ_ja – prostsza do zmierzenia impedancja termiczna pojedynczej ścieżki cieplnej od krzemowej struktury do otoczenia. Jednostką są stopnie Celsjusza (lub kelwiny) na W (°C/W)). T_j można oszacować z równania: T_j = Temperatura otoczenia + (Moc cieplna × Impedancja termiczna) lub T_j = T_a +[(V_in–V_out)×I_IN x R_Θja]

Zarządzanie ciepłem

Gęstość energii (mocy) konwertera DC/DC określa, ile watów dostarcza on do wyjścia w przeliczeniu na centymetr sześcienny zajmowanego miejsca (W/cm³). Im większa gęstość mocy, tym łatwiej zapewnić dużą moc dostępną dla aplikacji bez konieczności użycia większego rozmiaru zasilacza lub możliwość miniaturyzacji produktu przy tej samej mocy.

 

Rys. 5. Sprawność w funkcji stopnia obciążenia wyjścia dla R05C05TE05S-CT

Kluczem do dużej gęstości mocy jest duża sprawność konwersji energii oraz poprawa jego wydajności termicznej. Oba te zagadnienia umożliwiają zastosowanie mniejszej obudowy i pracy przy wyższej maksymalnej temperaturze roboczej.

Konwertery DC/DC firmy Recom Power charakteryzują się dobrą sprawnością, a kluczową cechą, która odróżnia je od konkurencyjnych rozwiązań, jest to, że krzywa sprawności w funkcji prądu obciążenia jest stosunkowo płaska w zakresie 20–100% (rys. 5). Konkurencyjne przetwornice często przy małym i średnim obciążeniu mają wyraźnie mniejszą sprawność.

Producenci starają się zminimalizować wewnętrzną impedancję termiczną podzespołów oraz zmaksymalizować wydajność chłodzenia przez przewodzenie i konwekcję ciepła, aby utrzymać niską temperaturę komponentu i zapewnić zadowalający margines między T_j a T_jmax (rys. 6).

 

Rys. 6. Producenci komponentów określają maksymalną temperaturę złącza (Tjmax) dla danego elementu, przez co dla określonej mocy strat T_j jest w dużej mierze determinowana przez całkowitą impedancję termiczną obudowy i temperaturę otoczenia (T_a)

Czujniki IIoT często pracują w zamkniętych przestrzeniach z kiepską wentylacją. Takie warunki mogą spowodować wzrost temperatury otoczenia, która w środowisku przemysłowym może z łatwością zbliżyć się do nawet 70°C. Duża wartość Ta wpływa na maksymalną temperaturę elementu:

T_a = 70ºC

T_jmax = 125ºC

Straty mocy = (6,5–5,0 V) × 370 mA= 555 mW

R_Θja=90ºC/W (typowa wartość dla podzespołu SMD)

Z powyższych zależności

T_j = 70 + (0,555×90) = 119,95ºC (~5ºC poniżej T_jmax)

W tym przypadku bez dodania radiatora użytkowanie urządzenia z takim konwerterem byłoby trudne ze względu na bardzo mały margines temperaturowy. Lepszym pomysłem byłoby wybranie przetwornicy o szerszym zakresie temperaturowym, aby margines był większy. Istnieje wiele produktów z T_jmax=125°C, a niektóre, takie jak opisywane produkty Recom Power mają nawet T_jmax=150°C. Ponadto, wybierając wersję o dokładniej dopasowanym zakresie napięcia wejściowego, można zmniejszyć nieco straty mocy, bo sprawność konwersji nie jest stała w funkcji napięcia wejściowego. Projektant może też wybrać produkt o jak najmniejszej impedancji termicznej. Rozważmy teraz przykład konwertera DC/DC wybranego z uwzględnieniem tych zależności:

T_a = 70ºC

T_jmax = 150ºC

Straty mocy = (5,5–5,0 V) × 370 mA = 185 mW

R_Θja = 64ºC/W

Stąd T_j = 70 + (0,185×64) = 82ºC (68ºC poniżej T_jmax)

Tutaj margines temperaturowy jest znacznie szerszy, co zapewnia lepszą żywotność.

 

Rys. 7. Krzywa deratingu termicznego wartości znamionowych dla przetwornicy RxxC05TExxS. Producent zaleca zmniejszenie mocy wyjściowej powyżej T_a = 104°C, aby zapewnić długi czas działania

Przetwornice RxxCTExx mają wewnątrz obudowy elementy spiętrzone w pionie 3D (3D power packaging, 3DPP) w celu obniżenia impedancji termicznej. 3DPP wykorzystuje zoptymalizowane pod kątem transportu ciepła materiały, technologię produkcji, montaż flip-chip-on-lead (FCOL) i przelotki termiczne. Razem pozwala to na montaż 1-watowego zasilacza w obudowie SOIC-16, bez dodatkowego chłodzenia w postaci radiatora. Dla RxxC05TExxS Rθja jest rzędu 63,8°C/W, a więc zauważalnie mniej w porównaniu do około 90°C/W w przypadku podobnych produktów.

W skrajnie niekorzystnych warunkach środowiskowych, na przykład w zamkniętych przestrzeniach w pobliżu źródeł ciepła, temperatura otoczenia może jeszcze bardziej wzrosnąć. W takich sytuacjach producenci zalecają obniżenie wartości znamionowych, tj. ograniczenie mocy wyjściowej. Jest to tzw. derating. Rozważmy na przykład drugi konwerter DC/DC opisany powyżej. Wzrost temperatury do 110°C pozostawiłby tylko około 38°C marginesu, co jest wartością mniejszą niż zalecana przez producenta do zapewnienia długiej żywotności. Rysunek 7 przedstawia krzywą deratingu termicznego dla RxxC05TExxS.

Podsumowanie

Nowa generacja izolowanych konwerterów DC/DC pomaga zapewnić stabilne zasilanie przy małej zajętości miejsca i wysokiej sprawności konwersji. Nowatorska obudowa oraz zaawansowane techniki spiętrzania komponentów umożliwiły obniżenie impedancji termicznej i pozwoliły stworzyć produkt zdolny do pracy w zamkniętych środowiskach przemysłowych o wysokiej temperaturze bez konieczności stosowania drogich i nieporęcznych radiatorów.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/