Auswahl und Einsatz eines isolierten DC/DC-Wandlers für einen industriellen IoT-Sensor

Die Stromversorgung drahtloser Sensoren für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) für Anwendungen wie die Überwachung der Maschinenkonditionierung ist eine Herausforderung. Die Sensoren müssen kompakt, robust, einfach zu installieren und kostengünstig sein, aber dennoch über lange Zeiträume zuverlässig und wartungsarm arbeiten. Die Folgen von Sensorausfällen reichen vom Fehlen wichtiger Daten über den Maschinenzustand über teure Reparaturen bis hin zum katastrophalen Ausfall des Systems oder der Produktionslinie.

Dieser Artikel beschreibt die Herausforderungen, mit denen Entwickler bei der Entwicklung von Stromversorgungen für batteriebetriebene IIoT-Sensoren für Zustandsüberwachungsanwendungen konfrontiert sind. Anschließend wird beschrieben, wie isolierte DC/DC-Wandler mit hoher Energiedichte von RECOM Power als Grundlage für Stromversorgungen verwendet werden können und diesen Herausforderungen gerecht werden, ohne auf teure und sperrige Kühlkörper zurückgreifen zu müssen.

Was ist Zustandsüberwachung?

Die Zustandsüberwachung überwindet die Probleme der vorbeugenden Wartungspläne für große und komplexe Maschinen und Prozesse. Diese Technik beruht auf der Kenntnis des Zustands einer Maschinenkomponente, so dass diese gewartet oder ausgetauscht werden kann, bevor es zu einem Ausfall kommt. Durch die ständige Überwachung der Vibrationssignatur eines Motors kann die Software beispielsweise den Verschleißzustand eines Lagers bestimmen und hochrechnen, wann die aktuelle Verschleißrate einen Ausfall verursachen würde. Dank dieser Informationen können Ingenieure die Wartungsintervalle verlängern und ungeplante Ausfallzeiten vermeiden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ohne Wartung fallen komplexe industrielle Prozesse und Maschinen irgendwann aus, was zu längeren Stillstandszeiten führt. Auch nach der Reparatur kommt es immer wieder zu Ausfällen von verschlissenen Geräten (unten). Vorbeugende Wartungsprogramme sehen häufige Wartungsintervalle vor, um sicherzustellen, dass Prozesse und Maschinen über lange Zeiträume laufen und Maschinen nicht verschleißen. Diese Wartungsprogramme sind aber ressourcenintensiv (Mitte). Die Zustandsüberwachung ermöglicht längere Wartungsintervalle ohne Ausfallrisiko und senkt die Wartungskosten (oben). (Bildquelle: RECOM Power)

IIoT-Sensoren sind eine gute Option für Anwendungen zur Zustandsüberwachung. Diese kompakten Komponenten können mechanisch in der Nähe bekannter Maschinen- oder Prozessfehlerpunkte angebracht werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die drahtlose Verbindung ermöglicht regelmäßige Zustandsaktualisierungen, ohne dass eine teure Kommunikationsverkabelung erforderlich ist.

Das Design von Stromversorgungen für IIoT-Sensoren ist eine große Herausforderung. Die typische Anwendungsumgebung ist schmutzig, es kann zu starken Vibrationen kommen, die Temperaturen können sehr hoch sein, und gefährliche Spannungen sind an der Tagesordnung. Der Platz ist oft knapp bemessen, und die empfindliche Elektronik erfordert eine kontinuierliche, saubere und präzise geregelte Gleichspannung.

Eine neue Generation von isolierten DC/DC-Wandlern wie die Serie RxxCTExx von RECOM Power bietet eine Lösung. Diese kompakten Komponenten bieten die hohe Energiedichte, kompakte Größe, Haltbarkeit und Effizienz, die für IIoT-Sensoranwendungen erforderlich sind. Die Wandler werden in oberflächenmontierbaren Gehäusen geliefert, die bis zu 1 Watt liefern können und nur wenig Platz auf der Leiterplatte benötigen.

Robuste kommerzielle Stromversorgungen für IIoT-Sensoren

Fortschritte im Packaging, wie z. B. die Integration von Leistungs- und Steuerelementen auf demselben Stück Silizium und die Verwendung von Transformatoren mit geringem Profil, ermöglichen es den Herstellern, hochspezialisierte isolierte DC/DC-Wandler für IIoT-Sensoranwendungen anzubieten. Die DC/DC-Wandler von RECOM Power nutzen beispielsweise Designelemente wie planare Transformatoren, um die Bauhöhe der Chips auf weniger als drei Millimeter (mm) zu reduzieren (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Serie RxxCTExx von RECOM wird in kompakten oberflächenmontierbaren SOIC-16-Gehäusen mit einem Profil von weniger als 3 mm geliefert. (Bildquelle: RECOM Power)

Die Verwendung von Standard-SOIC-16-Gehäusen ermöglicht die Handhabung und Montage mit automatisierten Geräten. Und schließlich ermöglicht die kompakte Größe der Chips, dass die Leistungsregelung viel näher an der Last platziert werden kann, was das Design vereinfacht und verkleinert.

Die kostengünstigen DC/DC-Wandler von RECOM Power liefern 0,5 (R05C05TE05S-CT) oder 1 Watt (R05CTE05S-CT) bei 5 Volt Ausgangsspannung (die Ausgangsspannungswelligkeit beträgt maximal 50 Millivolt Spitze-Spitze (mV_s-s)) von einem nominalen 4,5 bis 5,5-Volt-Eingang. Die Ausgangsspannung der Wandler ist mit den gängigen Familien aktiver Sensoren und den für die Datenanalyse verwendeten Mikrocontrollern oder DSP-Frontends kompatibel. Die 0,5-Watt-Komponente R05C05TE05S-CT hat einen Eingangsstrom von 240 Milliampere (mA), während die 1-Watt-Version R05CTE05S-CT einen Eingangsstrom von 370 mA hat. Die Wandler sind mit Kurzschluss-, Überstrom- und Übertemperaturschutz für hohe Zuverlässigkeit in IIoT-Anwendungen ausgestattet.

Die 0,5-Watt-Version kann bei Umgebungstemperaturen von bis zu 100 °C ohne Leistungsminderung betrieben werden, während das 1-Watt-Produkt bei bis zu 72 °C eingesetzt werden kann. Beide Komponenten entsprechen der Norm IEC 62368-1 (Einrichtungen der Informationstechnik, Allgemeine Sicherheitsanforderungen).

Die DC/DC-Wandler haben keine Mindestlastanforderung, was sie für Anwendungen geeignet macht, die häufig in sehr leichte Lastbetriebsarten wechseln, um Energie zu sparen. Dies ist eine übliche Betriebsart für IIoT-Sensoren. Der R05C05TE05S-CT kann 0,6 Watt (bei einem auf 255 mA ansteigenden Eingangsstrom) für bis zu 60 Sekunden (s) abgeben. Es ist eine Erholungszeit von der dreifachen Dauer der Spitzenleistung erforderlich, bevor die Spitzenleistung wieder abgerufen werden kann (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der 0,5-Watt-DC/DC-Wandler R05C05TE05S-CT von RECOM Power kann bis zu 60 s lang eine Spitzenleistung von 0,6 Watt abgeben. Es ist eine Erholungszeit von der dreifachen Dauer der Spitzenleistung erforderlich, bevor wieder Spitzenleistung abgerufen werden kann. (Bildquelle: RECOM Power)

Erfüllung der Isolationsanforderungen

Die Umgebung des IIoT-Knotens ist hohen Stromspitzen ausgesetzt, wenn schwere Maschinen gestartet oder angehalten werden. Aus Sicherheitsgründen und zum Schutz empfindlicher Elektronik müssen die Gleichstromversorgungen des Sensors von der Hauptversorgung isoliert werden.

Die DC/DC-Wandler von RECOM Power verwenden einen internen Transformator, um den Ausgang vom Eingang zu isolieren. Die Komponenten verfügen über eine Isolationsspannung von 3 kV DC (ausgelegt für 60 s) und werden für 1 s mit einer maximalen Isolationsspannung von 3,6 kV DC getestet. Der Isolationswiderstand (500 Volt DC, 25°C) beträgt 50 Gigaohm (GΩ) und die äußere Luftstrecke ist >8 mm. Abbildung 4 zeigt eine Anwendungsschaltung für den isolierten DC/DC-Wandler.

Abbildung 4: Anwendungsschaltung für den isolierten DC/DC-Wandler RxxC05TExxS von RECOM Power. (Bildquelle: RECOM Power)

Die Bedeutung des Wärmemanagements

Die Energiedichte eines DC/DC-Wandlers wird in Watt pro Kubikzentimeter (W/cm³) gemessen. Eine höhere Leistungsdichte ermöglicht es dem Entwickler, die für die Anwendung verfügbare Leistung zu erhöhen, ohne größere Bauteile zu verwenden, oder die Ausgangsleistung beizubehalten und gleichzeitig die Gesamtabmessungen des Produkts zu verringern.

Für die Anbieter von DC/DC-Wandlern liegt der Schlüssel zu einer hohen Energiedichte darin, den Wirkungsgrad des Chips zu erhöhen und/oder seine thermische Leistung zu verbessern, was die Verwendung eines kleineren Gehäuses und einer höheren maximalen Betriebstemperatur ermöglicht.

Die DC/DC-Wandler von RECOM Power bieten einen guten Wirkungsgrad für preiswerte, isolierte, halbregulierte Schaltgeräte. Ein wesentliches Merkmal, das sie von den Komponenten der Konkurrenz unterscheidet, ist die relativ flache Wirkungsgradkurve über den Bereich von 20 Prozent bis zur vollen Ausgangslast (Abbildung 5). Komponenten von Wettbewerbern weisen bei niedrigen und mittleren Ausgangslasten oft einen schlechten Wirkungsgrad auf.

Abbildung 5: Das Diagramm zeigt den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der prozentualen Ausgangslast des R05C05TE05S-CT. Die isolierten Schaltwandler bieten einen guten Wirkungsgrad über einen breiten Lastbereich. (Bildquelle: RECOM Power)

Die maximale Sperrschichttemperatur (T_jmax) eines Bauteils (gemessen in der Mitte der Oberseite des Siliziumchips) ist normalerweise im Datenblatt angegeben. Solange das Gerät diesen Grenzwert nicht überschreitet, garantiert der Hersteller die Leistung. Ein Betrieb oberhalb dieser Temperatur kann die Leitfähigkeit des Halbleiters so verändern, dass er nicht mehr wie vorgesehen funktioniert und sogar dauerhafte Schäden verursachen kann.

T_j für eine Komponente mit fester Verlustleistung, wie z. B. einen DC/DC-Regler, hängt weitgehend vom internen Mehrweg-Wärmewiderstand (Ψ_jt) und der Wirksamkeit der Wärmeübertragung an die unmittelbare Umgebung ab. Ψ_jt berücksichtigt alle Wege, auf denen die Wärme aus dem Bauteil entweichen kann, einschließlich des Weges über die Unterseite des Chips und die Leiterplatte. Dieser Parameter ist außerhalb des Labors nur schwer zu messen und wird oft nicht in das Datenblatt aufgenommen. Ein guter Näherungswert für Ψ_jt ist θ_ja; dabei handelt es sich um ein Maß für die thermische Impedanz (R_θja) eines einzelnen Wärmepfads vom Siliziumchip direkt zur Umgebung, der einfacher zu messen ist. Die Einheiten von R_θja sind Grad Celsius (oder Kelvin (K)) pro W (°C/W). T_j kann anhand der folgenden Gleichung geschätzt werden:

Die Entwickler von Bauteilen sind bestrebt, die interne thermische Impedanz zu minimieren und die konduktive und konvektive Wärmeübertragung zu maximieren, um die Bauteiltemperaturen niedrig zu halten und einen zufriedenstellenden „Overhead“ zwischen T_j und T_jmax zu gewährleisten (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Hersteller von Bauelementen geben eine maximale Sperrschichttemperatur (T_jmax) für ein aktives Bauelement an, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Bei einer bestimmten Verlustleistung wird Tj weitgehend durch die thermische Gesamtimpedanz des Bauteils und die Umgebungstemperatur (T_a) bestimmt. (Bildquelle: RECOM Power)

IIoT-Sensoren arbeiten oft in beengten Umgebungen mit geringer Belüftung. Dies kann zu einem Anstieg der Umgebungstemperatur führen, die in industriellen Umgebungen leicht 70 °C erreichen kann. Dieser hohe T_a-Wert wirkt sich auf die Oberflächentemperatur des Bauteils aus.

Betrachten Sie das folgende Beispiel für einen typischen DC/DC-Wandler:

Ohne zusätzliche Kosten und Volumen durch die Verwendung eines Kühlkörpers wäre dieses Gerät wegen des sehr begrenzten Temperatur-Overheads für diese Anwendung ungeeignet.

Eine bessere Lösung wäre es, eine Komponente mit einem erweiterten Temperaturbereich zu wählen. Es gibt viele handelsübliche DC/DC-Regler mit einer T_jmax von 125°C und einige wenige, wie die Lösung von RECOM Power, die diesen Wert auf 150°C erhöhen. Zweitens könnten die Eingangs- und Ausgangsspannungen besser aufeinander abgestimmt werden (was den Wirkungsgrad eines Linearreglers erhöht und damit die Verlustleistung senkt). Und drittens sollte der Entwickler darauf achten, das Bauteil mit der niedrigsten thermischen Impedanz auszuwählen.

Betrachten wir ein zweites Beispiel für einen DC/DC-Wandler, der unter Berücksichtigung dieser Kriterien ausgewählt wurde:

Diese Option bietet einen beträchtlichen Temperatur-Overhead, der zur Verlängerung der Produktlebensdauer beiträgt.

Die Serie RxxCTExx von RECOM Power verwendet 3DPP-Gehäuse (3D Power Packaging), um die thermische Impedanz zu senken. 3DPP nutzt die Vorteile von Materialoptimierung, Fertigungstechniken und einer Vielzahl von Methoden zur Wärmeübertragung zwischen Übergang und Umgebung, wie Flip-Chip-on-Lead (FCOL), eingebettete ICs und thermische Durchkontaktierungen, um die thermische Impedanz zu senken. Diese Techniken ermöglichen die Herstellung von DC/DC-Wandlern der Größe SOIC-16, die hohe Lasten ohne die Komplikationen und Kosten von aktiven Kühlmethoden oder großen passiven Kühlkörpern versorgen können. Die Produkte RxxC05TExxS haben einen R_θja von 63,8°C/W, verglichen mit etwa 90°C/W bei herkömmlichen Produkten.

Unter bestimmten Umständen, z. B. in geschlossenen Räumen in der Nähe von Maschinen, die von großen Elektromotoren angetrieben werden, die viel Wärme abstrahlen, kann die Umgebungstemperatur sogar noch höher ansteigen. In diesen Situationen empfehlen die Chiphersteller eine Leistungsminderung (in Englisch „Derating“ genannt, d. h. eine Begrenzung der Ausgangsleistung des Geräts, um die Verlustleistung und damit T_j zu verringern). Nehmen wir zum Beispiel den zweiten DC/DC-Wandler, der oben beschrieben wurde: Bei einem Temperaturanstieg auf 110 °C würden nur etwa 38 °C an Temperatur übrig bleiben, was weniger ist, als für eine längere Produktlebensdauer empfohlen wird. Abbildung 7 zeigt die thermische Derating-Kurve für den RxxC05TExxS von RECOM Power.

Abbildung 7: Thermische Derating-Kurve für den DC/DC-Wandler RxxC05TExxS von RECOM Power. Der Hersteller empfiehlt, die Ausgangsleistung oberhalb von T_a = 104°C zu verringern, um langfristige Schäden an den Bauteilen zu vermeiden. (Bildquelle: RECOM Power)

Fazit

Die Stromversorgung von drahtlosen IIoT-Sensoren mit geringem Stromverbrauch für Anwendungen wie die Überwachung der Maschinenkonditionierung ist eine erhebliche Aufgabe, da die Betriebsumgebung heiß und schmutzig ist. Empfindliche Überwachungsgeräte müssen mit einer konstanten, sauberen Gleichspannung versorgt werden und gegen die in Industrieanlagen üblichen hohen Spannungsspitzen geschützt sein. Außerdem ist der Platz in der Regel sehr knapp und die Kosten müssen niedrig gehalten werden.

Eine neue Generation von isolierten DC/DC-Wandlern hilft den Entwicklern jetzt, diese Herausforderungen zu meistern. Kompakte oberflächenmontierbare Lösungen ermöglichen eine einfache Montage und bieten die geforderte hohe Energiedichte, Platzersparnis, Haltbarkeit und Effizienz. Darüber hinaus haben neuartige Verpackungs- und Fertigungstechniken die thermische Impedanz gesenkt, so dass die Geräte in geschlossenen Umgebungen mit hohen Temperaturen betrieben werden können, ohne dass teure und sperrige Kühlkörper erforderlich sind.