Sposób doboru i eksploatacji izolowanych przetwornic prądu stałego do czujników wykorzystywanych w przemysłowym Internecie rzeczy (IoT)

Zasilanie bezprzewodowych czujników przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) w zastosowaniach takich jak monitorowanie stanu maszyn jest trudne. Czujniki muszą być kompaktowe, wytrzymałe, łatwe w instalacji i niedrogie, a jednocześnie działać niezawodnie przez długi czas przy minimalnych potrzebach w zakresie konserwacji lub nawet bez konieczności konserwacji. Skutki awarii czujników są wielorakie, od braku ważnych danych o stanie maszyny, do kosztownych napraw w przypadku poważnej awarii systemu lub linii produkcyjnej.

W niniejszym artykule szczegółowo przedstawiono wyzwania, przed którymi stoją projektanci podczas budowy układów zasilania zasilanych bateryjnie czujników IIoT do zastosowań związanych z monitorowaniem stanu. Następnie opisano sposób stosowania izolowanych przetwornic prądu stałego firmy RECOM Power o dużej gęstości energii jako podstawę zasilaczy, które sprostają tym wyzwaniom, bez konieczności stosowania drogich i nieporęcznych radiatorów.

Czym jest monitorowanie stanu?

Monitorowanie stanu pozwala rozwiązać problemy związane z harmonogramami konserwacji zapobiegawczych dla dużych i złożonych maszyn oraz procesów. Technika ta polega na monitorowaniu stanu komponentu maszyny, co pozwala na jego naprawę lub wymianę zanim dojdzie do awarii. Na przykład poprzez ciągłe monitorowanie charakterystyki drgań silnika oprogramowanie pozwala określić stan zużycia łożysk i dokonać ekstrapolacji w celu określenia, kiedy obecny stopień zużycia może spowodować uszkodzenie. Takie informacje umożliwiają inżynierom wydłużenie okresów międzyserwisowych przy jednoczesnym uniknięciu nieplanowanych przestojów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: brak konserwacji skomplikowanych procesów i maszyn przemysłowych ostatecznie skutkuje ich awarią, co prowadzi do wydłużonych przestojów. Nawet po naprawie zużyty sprzęt często ulega ponownym awariom (u dołu). W ramach programów konserwacji zapobiegawczej planuje się częste okresy międzyserwisowe, aby zapewnić, że procesy i maszyny będą działać przez dłuższy czas, a same maszyny nie będą się zużywać, choć realizacja takich programów wymaga zaangażowania wielu zasobów (w środku). Monitorowanie stanu pozwala na wydłużenie okresów międzyserwisowych bez ryzyka awarii przy jednoczesnym obniżeniu kosztów konserwacji (u góry). (Źródło ilustracji: RECOM Power)

W zastosowaniach monitorowania stanu dobre rozwiązanie stanowią czujniki IIoT. Te kompaktowe urządzenia mogą być mechanicznie przymocowane w pobliżu znanych punktów awarii maszyny lub procesu w celu zwiększenia precyzji pomiaru. Łączność bezprzewodowa umożliwia regularne aktualizacje stanu bez konieczności stosowania drogiego okablowania komunikacyjnego.

Projektowanie zasilaczy dla czujników IIoT jest dużym wyzwaniem. W typowym środowisku pracy występują duże zanieczyszczenia, mogą występować znaczne drgania, temperatury mogą być bardzo wysokie, a niebezpieczne napięcia są czymś powszechnym. Wolna przestrzeń jest często na wagę złota, a wrażliwe układy elektroniczne wymagają ciągłego, wolnego od zakłóceń i precyzyjnie regulowanego napięcia prądu stałego.

Rozwiązanie stanowi nowa generacja izolowanych przetwornic prądu stałego, takich jak seria RxxCTExx firmy RECOM Power. Te kompaktowe urządzenia charakteryzują się wysoką gęstością energii, niewielkimi rozmiarami, trwałością i wydajnością potrzebnymi w zastosowaniach z czujnikami IIoT. Przetwornice są dostarczane w obudowach do montażu powierzchniowego i zapewniają moc do 1W, jednocześnie zajmując minimalną ilość miejsca na płytce drukowanej.

Wytrzymałe komercyjne zasilacze dla czujników IIoT

Postępy w zakresie konstrukcji obudów, np. umieszczenie elementów zasilania i sterowania w tym samym kawałku krzemu i zastosowanie niskoprofilowych transformatorów, umożliwia producentom oferowanie wysokiej klasy izolowanych przetwornic prądu stałego do zastosowań z czujnikami IIoT. Na przykład przetwornice prądu stałego firmy RECOM Power wykorzystują elementy konstrukcyjne, takie jak transformatory płaskie, w celu zmniejszania wysokości układów mikroelektronicznych do mniej niż 3mm (ilustracja 2).

Ilustracja 2: przetwornice serii RxxCTExx firmy RECOM są dostarczane w kompaktowych obudowach SOIC-16 do montażu powierzchniowego o profilu mniejszym niż 3mm. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zastosowanie standardowych obudów SOIC-16 umożliwia obsługę i montaż przy użyciu sprzętu zautomatyzowanego. Ponadto niewielkie rozmiary układów mikroelektronicznych pozwalają na umieszczenie regulacji mocy znacznie bliżej odbiornika, co upraszcza i zmniejsza konstrukcję.

Niedrogie przetwornice prądu stałego firmy RECOM Power zapewniają moc 0,5W (R05C05TE05S-CT) lub 1W (R05CTE05S-CT) przy napięciu wyjściowym 5V (tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą maksymalnie 50mV_p-p) dla znamionowego napięcia wejściowego od 4,5 do 5,5V. Napięcie wyjściowe omawianych przetwornic zapewnia kompatybilność z popularnymi grupami czujników aktywnych oraz układów front-end mikrokontrolerów lub cyfrowych procesorów sygnałowych (DSP) powszechnie stosowanych do analizy danych. Przetwornica R05C05TE05S-CT 0,5W charakteryzuje się wejściowym natężeniem prądu 240mA, natomiast wersja R05CTE05S-CT 1W ma prąd wejściowy 370mA. Przetwornice są wyposażone w zabezpieczenia przed zwarciem, przetężeniem i nadmierną temperaturą, zapewniające wysoką niezawodność w zastosowaniach IIoT.

Wersja o mocy 0,5W może działać w temperaturze otoczenia do 100°C bez obniżania wartości znamionowych, a wersja o mocy 1W może być używana w temperaturze do 72°C. Oba urządzenia są zgodne z normą IEC 62368-1 (Sprzęt informatyczny - ogólne wymagania bezpieczeństwa).

Przetwornice prądu stałego nie mają minimalnego zapotrzebowania na obciążenie, co sprawia, że nadają się do zastosowań, w których następuje częste przełączanie w tryb pracy przy niewielkim obciążeniu w celu oszczędzania energii. Jest to powszechny sposób pracy czujników w zastosowaniach IIoT. Przetwornica R05C05TE05S-CT może dostarczać moc wyjściową 0,6W (prąd wejściowy wzrasta do 255mA) przez maksymalnie 60s. Zanim będzie można ponownie osiągnąć moc szczytową konieczne jest odczekanie czasu regeneracji wynoszącego trzykrotność czasu utrzymywania mocy szczytowej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przetwornica prądu stałego R05C05TE05S-CT 0,5W firmy RECOM power może generować szczytową moc wyjściową 0,6W przez maksymalnie 60s. Zanim będzie można ponownie osiągnąć moc szczytową konieczne jest odczekanie czasu regeneracji wynoszącego trzykrotność czasu utrzymywania mocy szczytowej. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Spełnianie wymagań dotyczących izolacji

Środowisko węzła przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) charakteryzuje się dużymi skokami napięcia przy każdym uruchomieniu lub zatrzymaniu ciężkich maszyn. Ze względów bezpieczeństwa i w celu ochrony wrażliwych układów elektronicznych, zasilacze prądu stałego czujników wymagają odizolowania od zasilania głównego.

Przetwornice prądu stałego firmy RECOM Power izolują wyjście od wejścia wykorzystując wewnętrzny transformator. Urządzenia te posiadają napięcie izolacji 3kV= (znamionowo przez 60s) i są badane poprzez przyłożenie maksymalnego napięcia izolacji 3,6kV= przez 1s. Rezystancja izolacji (500V=, 25°C) wynosi 50GΩ, a odstęp zewnętrzny jest >8mm. Ilustracja 4 przedstawia obwód zastosowania izolowanej przetwornicy prądu stałego.

Ilustracja 4: obwód zastosowania izolowanej przetwornicy prądu stałego RxxC05TExxS firmy RECOM Power. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Znaczenie odprowadzania ciepła

Gęstość energii przetwornicy prądu stałego jest mierzona w watach na centymetr sześcienny (W/cm³). Wyższa gęstość mocy pozwala projektantom zwiększyć moc dostępną dla danego zastosowania bez konieczności użycia większego komponentu lub utrzymać moc wyjściową przy jednoczesnym zmniejszeniu ogólnych wymiarów produktu.

Dla dostawców przetwornic prądu stałego kluczową kwestią dla zapewniania wysokiej gęstości energii jest zwiększenie sprawności układu mikroelektronicznego i/lub poprawy jego parametrów termicznych, co pozwala na zastosowanie mniejszej obudowy i osiągnięcie wyższej maksymalnej temperatury roboczej.

Przetwornice prądu stałego firmy RECOM Power zapewniają wysoką sprawność dla niedrogich, izolowanych i częściowo regulowanych urządzeń przełączających. Kluczową cechą wyróżniającą je na tle konkurencyjnych urządzeń jest to, że krzywa sprawności jest stosunkowo płaska w zakresie od 20 procent do pełnego zakresu obciążenia wyjściowego (ilustracja 5). Konkurencyjne urządzenia często wykazują niską sprawność przy niskich i średnich obciążeniach wyjściowych.

Ilustracja 5: wykres sprawności w funkcji procentowego obciążenia wyjściowego dla przetwornicy R05C05TE05S-CT. Izolowane przetwornice przełączające zapewniają dobrą sprawność w szerokim zakresie obciążeń. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Maksymalna temperatura złącza (T_jmax) komponentu (zmierzona środkowa część struktury silikonowej) jest zazwyczaj podawana w arkuszu danych. Producent gwarantuje działanie urządzenia, o ile nie przekracza ono tej wartości granicznej. Działanie powyżej tej temperatury może zmienić przewodność półprzewodnika w taki sposób, że przestanie on działać zgodnie z przeznaczeniem, a nawet spowodować trwałe uszkodzenie.

T_j w przypadku urządzenia o stałych stratach mocy, takiego jak regulator prądu stałego jest w dużej mierze zależne od wewnętrznego, wielościeżkowego oporu cieplnego (Ψ_jt) oraz od skuteczności oddawania ciepła do bezpośredniego otoczenia. Ψ_jt uwzględnia wszystkie sposoby odprowadzania ciepła z komponentu, w tym przez spód układu mikroelektronicznego poprzez płytkę drukowaną. Ten parametr jest trudny do zmierzenia poza laboratorium i często nie podaje się go w arkuszu danych. Dobrym parametrem zastępczym dla Ψ_jt jest θ_ja. Jest to miara impedancji cieplnej (R_θja) pojedynczej ścieżki cieplnej ze struktury krzemowej bezpośrednio do otoczenia, którą jest łatwiej zmierzyć. Jednostką parametru R_θja są stopnie Celsjusza (lub Kelvina (K)) na W (°C/W). T_j można oszacować na podstawie poniższego równania:

Celem projektantów komponentów jest zminimalizowanie wewnętrznej impedancji cieplnej oraz maksymalne zwiększenie oddawania ciepła przez przewodzenie i konwekcję w celu utrzymania niskich temperatur komponentów i zapewnienia zadowalającego „zapasu” pomiędzy wartościami T_j i T_jmax (ilustracja 6).

Ilustracja 6: producenci komponentów określają maksymalną temperaturę złącza (T_jmax) dla czynnych urządzeń, aby zapewnić ich prawidłowe działanie. Dla określonych strat mocy wartość Tj w dużej mierze zależy od całkowitej impedancji cieplnej komponentu i temperatury otoczenia (T_A). (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Czujniki IIoT często są stosowane w ciasnych miejscach o słabej wentylacji. Może to spowodować wzrost temperatury otoczenia, która w środowisku przemysłowym może z łatwością osiągnąć 70°C. Tak wysoka wartość T_a ma wpływ na zapas temperatury komponentu.

Przeanalizujmy poniższy przykład typowej przetwornicy prądu stałego:

Bez zwiększania kosztów i rozmiarów wskutek zastosowania radiatora, urządzenie to byłoby nieodpowiednie do zastosowania ze względu na bardzo ograniczony zapas temperatury.

Lepszym rozwiązaniem byłby wybór urządzenia o szerszym zakresie temperatur. Istnieje wiele komercyjnych regulatorów prądu stałego, które oferują wartość T_jmax 125°C, a kilka z nich, jak na przykład rozwiązanie firmy RECOM Power, nawet do 150°C. Po drugie, napięcia wejściowe i wyjściowe mogą być lepiej dopasowane (co zwiększa sprawność regulatora liniowego, a tym samym zmniejsza straty mocy). A po trzecie, projektanci powinni szukać urządzeń o najmniejszej możliwej impedancji cieplnej.

Przyjrzyjmy się drugiemu przykładowi przetwornicy prądu stałego, wybranemu z uwzględnieniem powyższych kryteriów:

Ta opcja zapewnia znaczny zapas temperatury, co pomaga wydłużyć okres eksploatacji produktu.

W przetwornicach serii RxxCTExx firmy RECOM Power zastosowano obudowy 3DPP (3D Power Packaging) pozwalające zmniejszyć impedancję cieplną. Opracowując obudowę 3DPP, w celu zmniejszenia impedancji cieplnej dokonano optymalizacji materiałów oraz wykorzystano techniki produkcyjne i różne metody wymiany ciepła między złączem i otoczeniem, takie jak Flip-chip-on-Lead (FCOL), wbudowane układy scalone i przelotki termiczne. Techniki te umożliwiają produkcję przetwornic prądu stałego o rozmiarze SOIC-16, które mogą zasilać duże odbiorniki bez zbędnych komplikacji i kosztów związanych z metodami chłodzenia aktywnego lub dużymi radiatorami pasywnymi. Przetwornice RxxC05TExxS mają impedancję cieplną R_θja równą 63,8°C/W w porównaniu do ok. 90°C/W w przypadku produktów konwencjonalnych.

W pewnych okolicznościach, na przykład w zamkniętych pomieszczeniach w pobliżu maszyn napędzanych dużymi silnikami elektrycznymi generującymi duże ilości ciepła, temperatura otoczenia może jeszcze bardziej wzrastać. W takich sytuacjach producenci układów mikroelektronicznych zalecają obniżenie mocy (tj. ograniczenie mocy wyjściowej urządzenia w celu zmniejszenia strat mocy, a w konsekwencji wartości T_j). Na przykład przeanalizujmy drugą opisaną powyżej przetwornicę prądu stałego. Wzrost temperatury do 110°C pozostawiłby tylko około 38°C zapasu temperaturowego, czyli mniej niż zalecane dla wydłużenia okresu eksploatacji produktu. Ilustracja 7 przedstawia krzywą obniżenia parametrów termicznych dla przetwornicy RxxC05TExxS firmy RECOM Power.

Ilustracja 7: krzywa obniżenia parametrów termicznych dla przetwornicy prądu stałego RxxC05TExxS firmy RECOM Power. Producent zaleca zmniejszenie mocy wyjściowej w przypadku przekroczenia T_a = 104°C, aby uniknąć powolnego uszkadzania komponentu. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Podsumowanie

Zasilanie bezprzewodowych czujników IIoT niskiej mocy w zastosowaniach, takich jak monitorowanie stanu maszyn, jest poważnym zadaniem, ponieważ środowisko pracy jest gorące i zanieczyszczone. Wrażliwe urządzenia monitorujące muszą być zasilane stałym, wolnym od zakłóceń napięciem prądu stałego i być zabezpieczone przed przepięciami występującymi w sprzęcie przemysłowym. Ponadto wolna przestrzeń jest zazwyczaj na wagę złota, a koszty nie mogą przekraczać pewnego poziomu.

Projektanci mogą sprostać tym wyzwaniom dzięki izolowanym przetwornicom prądu stałego nowej generacji. Kompaktowe rozwiązania do montażu powierzchniowego umożliwiają łatwy montaż i zapewniają wysoką gęstość energii, oszczędność miejsca, trwałość oraz sprawność. Ponadto nowatorskie techniki produkcji i zamykania w obudowach obniżyły impedancję cieplną, umożliwiając pracę urządzeń w zamkniętych, wysokotemperaturowych środowiskach bez konieczności stosowania drogich i nieporęcznych radiatorów.