Come selezionare e utilizzare un convertitore c.c./c.c. isolato per un sensore Industrial IoT

Alimentare i sensori wireless per Internet delle cose industriale (IIoT) per applicazioni come il monitoraggio delle condizioni di una macchine è davvero difficile. I sensori devono essere compatti, robusti, facili da installare e poco costosi, ma devono funzionare in modo affidabile per lunghi periodi con minima o nessuna manutenzione. Le implicazioni dei guasti dei sensori vanno dalla mancanza di dati vitali sulle condizioni della macchina, a riparazioni costose, fino al guasto catastrofico del sistema o della linea di produzione.

Questo articolo descrive in dettaglio le sfide che i progettisti devono affrontare quando costruiscono alimentatori per sensori IIoT alimentati a batteria per applicazioni di monitoraggio delle condizioni. Descrive poi come utilizzare i convertitori c.c./c.c. isolati ad alta densità energetica di RECOM Power come base per alimentatori che affrontano queste sfide, senza ricorrere a dissipatori di calore costosi e ingombranti.

Che cos'è il monitoraggio delle condizioni?

Il monitoraggio delle condizioni supera i problemi dei programmi di manutenzione preventiva per macchinari e processi grandi e complessi. La tecnica si basa sulla conoscenza dello stato di un componente della macchina in modo che possa essere riparato o sostituito molto prima che si verifichi un guasto. Ad esempio, monitorando costantemente la firma delle vibrazioni di un motore, il software può determinare lo stato di usura di un cuscinetto per determinare quando l'attuale tasso di usura causerebbe un guasto. Queste informazioni permettono agli ingegneri di estendere gli intervalli di servizio evitando tempi di fermo non pianificati (Figura 1).

Figura 1: Senza manutenzione, i complessi processi industriali e le macchine finiscono per guastarsi, causando lunghi tempi di inattività. Anche dopo la riparazione, continuano a verificarsi ripetuti guasti di attrezzature usurate (in basso). I programmi di manutenzione preventiva fissano frequenti intervalli di servizio per assicurare che i processi e le macchine funzionino a lungo e che le macchine non si usurino, ma richiedono notevoli risorse (al centro). Il monitoraggio delle condizioni permette di prolungare gli intervalli di servizio senza rischio di guasti e di ridurre i costi di manutenzione (in alto). (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

I sensori IIoT sono una buona opzione per le applicazioni di monitoraggio delle condizioni. Questi dispositivi compatti possono essere fissati meccanicamente vicino a noti punti di guasto della macchina o del processo per migliorare la precisione della misurazione. La connettività wireless permette aggiornamenti regolari delle condizioni senza la necessità di costosi cablaggi di comunicazione.

La sfida di progettazione dell'alimentazione per i sensori IIoT è complessa. L'ambiente tipico è sporco, ci possono essere molte vibrazioni, le temperature possono essere molto alte e le tensioni pericolose sono comuni. Lo spazio è spesso ristretto e l'elettronica sensibile richiede una tensione continua, pulita e regolata con precisione.

Una nuova generazione di convertitori c.c./c.c. isolati come la serie RxxCTExx di RECOM Power promette una soluzione. Questi dispositivi compatti forniscono l'alta densità di energia, le dimensioni compatte, la durata e l'efficienza necessarie per le applicazioni dei sensori IIoT. I convertitori sono forniti in contenitori a montaggio superficiale in grado di fornire fino a 1 W pur occupando uno spazio minimo sulla scheda CS.

Robusti alimentatori commerciali per sensori IIoT

I progressi del confezionamento, come l'incorporazione di elementi di potenza e di controllo sullo stesso pezzo di silicio e l'impiego di trasformatori a profilo ribassato, permettono ai produttori di offrire convertitori c.c./c.c. isolati di alta qualità per applicazioni di sensori IIoT. I convertitori c.c./c.c. di RECOM Power, ad esempio, usano elementi di design come i trasformatori di tipo planare per ridurre l'altezza dei chip a meno di tre millimetri (Figura 2).

Figura 2: La serie RxxCTExx di RECOM è fornita in contenitori compatti a montaggio superficiale SOIC-16 con un profilo inferiore a 3 mm. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

L'uso di contenitori SOIC-16 standard permette la manipolazione e l'assemblaggio con apparecchiature automatizzate. Infine, le dimensioni compatte dei chip permettono di posizionare la regolazione della potenza molto più vicino al carico, semplificando e riducendo il progetto.

I convertitori c.c./c.c. a basso costo di RECOM Power forniscono 0,5 W (R05C05TE05S-CT) o 1 W (R05CTE05S-CT) a 5 V in uscita (il ripple della tensione di uscita è al massimo di 50 mV_p-p) da un ingresso nominale di 4,5-5,5 V. La tensione di uscita dei convertitori è compatibile con le famiglie di sensori attivi e con i front-end microcontroller o DSP comunemente usati per l'analisi dei dati. Il dispositivo R05C05TE05S-CT da 0,5 W ha una corrente di ingresso di 240 mA, mentre la versione R05CTE05S-CT da 1 W ha una corrente di ingresso di 370 mA. I convertitori sono dotati di protezione da cortocircuito, sovracorrente e sovratemperatura per un'alta affidabilità nelle applicazioni IIoT.

La versione a 0,5 W può funzionare a temperature ambientali fino a 100 °C senza declassamento, mentre il prodotto a 1 W può essere utilizzato fino a 72 °C. Entrambi i dispositivi sono conformi a IEC 62368-1 (Information Technology Equipment, General Requirements for Safety).

I convertitori c.c./c.c. non hanno alcun requisito di carico minimo, il che li rende adatti ad applicazioni che spesso passano a modalità di funzionamento con carico molto basso per risparmiare energia. Questa è una modalità di funzionamento comune per i sensori IIoT. R05C05TE05S-CT può generare 0,6 W (con una corrente di ingresso che sale a 255 mA) per un massimo di 60 secondi. Un periodo di recupero di tre volte la durata della potenza di picco è necessario prima di accedere nuovamente alla potenza di picco (Figura 3).

Figura 3: Il convertitore c.c./c.c. R05C05TE05S-CT da 0,5 W di RECOM Power può fornire una potenza di uscita di picco di 0,6 W per un massimo di 60 s. Un periodo di recupero di tre volte la durata della potenza di picco è richiesto prima di poter prelevare nuovamente la potenza di picco. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Soddisfare le richieste di isolamento

L'ambiente circostante il nodo IIoT è soggetto a forti sbalzi di potenza ogni volta che vengono avviati o fermati macchinari pesanti. Per ragioni di sicurezza e per proteggere l'elettronica fragile, gli alimentatori c.c. del sensore richiedono un isolamento dall'alimentazione principale.

I convertitori c.c./c.c. di RECOM Power utilizzano un trasformatore interno per isolare l'uscita dall'ingresso. I dispositivi hanno una tensione di isolamento di 3 kV c.c. (nominale per 60 s) e sono testati per 1 s fino a una tensione di isolamento massima di 3,6 kV c.c. La resistenza di isolamento (500 V c.c., 25 °C) è di 50 GΩ e la distanza di isolamento in aria esterna è >8 mm. La Figura 4 mostra un circuito applicativo per il convertitore c.c./c.c. isolato.

Figura 4: Circuito applicativo per il convertitore isolato c.c./c.c. RxxC05TExxS di RECOM Power. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

L'importanza della gestione termica

La densità di energia di un convertitore c.c./c.c. si misura in W per centimetro cubo (W/cm³). Una maggiore densità di potenza permette al progettista di aumentare la potenza disponibile per l'applicazione senza utilizzare un componente di dimensioni maggiori o di mantenere la potenza in uscita riducendo le dimensioni complessive del prodotto.

Per un fornitore di convertitori c.c./c.c., la chiave per offrire un'alta densità di energia è aumentare l'efficienza del chip e/o migliorare le sue prestazioni termiche - permettendo l'uso di un contenitore più piccolo e una massima temperatura di funzionamento più alta.

I convertitori c.c./c.c. di RECOM Power offrono una buona efficienza per dispositivi di commutazione economici, isolati e semi-regolati. Una caratteristica chiave che li distingue dai dispositivi della concorrenza è che la curva di efficienza è relativamente piatta attraverso il 20% all'intervallo intero del carico di uscita (Figura 5). I dispositivi della concorrenza spesso mostrano una scarsa efficienza a carichi di uscita bassi e medi.

Figura 5: Grafico dell'efficienza rispetto alla percentuale di carico in uscita per il modello R05C05TE05S-CT. I convertitori a commutazione isolati offrono una buona efficienza su un ampio intervallo di carico. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

La massima temperatura di giunzione (Tj_max) di un componente (misurata al centro della parte superiore del die di silicio) è tipicamente riportata nella scheda tecnica. A condizione che il dispositivo non superi questo limite, il produttore garantisce le prestazioni. Il funzionamento al di sopra di questa temperatura può cambiare la conduttanza del semiconduttore in modo che non funzionerà più come previsto e causare possibili danni permanenti.

T_j per un dispositivo a dissipazione di potenza fissa come un regolatore c.c./c.c. dipende in gran parte dalla resistenza termica interna multipercorso (Ψ_jt) e dall'efficacia del trasferimento di calore all'ambiente immediato. Ψ_jt considera tutti i mezzi di dissipazione del calore dal componente, compreso il fondo del chip attraverso la scheda CS. Questo parametro è difficile da misurare fuori dal laboratorio e spesso non è incluso nella scheda tecnica. Un buon sostituto per Ψ_jt è θ_ja, una misura dell'impedenza termica (R_θja) di un singolo percorso di calore dal die di silicio direttamente all'ambiente circostante, più semplice da misurare. Le unità di R_θja sono i gradi centigradi (o Kelvin, K) per W (°C/W). T_j può essere stimato dall'equazione:

I progettisti di componenti mirano a minimizzare l'impedenza termica interna e a massimizzare il trasferimento di calore conduttivo e convettivo per mantenere basse le temperature dei componenti e fornire un "sovraccarico" soddisfacente tra T_j e T_jmax (Figura 6).

Figura 6: I produttori di componenti specificano una massima temperatura di giunzione (T_jmax) per un dispositivo attivo per garantirne il funzionamento corretto. Per una data dissipazione di potenza, Tj è in gran parte determinato dall'impedenza termica totale del componente e dalla temperatura ambiente (T_a). (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

I sensori IIoT spesso operano in ambienti confinati con poca ventilazione. Questo può causare l'aumento della temperatura ambientale, che può facilmente avvicinarsi a 70 °C negli ambienti industriali. Questa T_a elevata ha un impatto sul sovraccarico di temperatura del componente.

Consideriamo il seguente esempio per un tipico convertitore c.c./c.c.:

Senza aggiungere costi e volume attraverso l'uso di un dissipatore di calore, questo dispositivo non sarebbe adatto all'applicazione, a causa della temperatura molto limitata.

Una soluzione migliore sarebbe quella di selezionare un dispositivo con un intervallo di temperatura esteso. Ci sono molti regolatori c.c./c.c. commerciali che offrono una T_jmax di 125 °C e alcuni, come la soluzione di RECOM Power, che la estendono a 150 °C. In secondo luogo, le tensioni di ingresso e di uscita potrebbero essere più strettamente correlate (il che aumenta l'efficienza di un regolatore lineare e quindi riduce la dissipazione di potenza). E in terzo luogo, il progettista dovrebbe cercare di selezionare il dispositivo con la più bassa impedenza termica.

Consideriamo un secondo esempio per un convertitore c.c./c.c. selezionato con questi criteri in mente:

Questa opzione fornisce un notevole sovraccarico di temperatura che aiuta a prolungare la durata del prodotto.

La serie RxxCTExx di RECOM Power impiega il confezionamento 3D (3DPP) per abbassare l'impedenza termica. Per abbassare l'impedenza termica, 3DPP sfrutta l'ottimizzazione dei materiali, le tecniche di produzione e una varietà di metodi di trasferimento del calore dalla giunzione all'ambiente come il flip-chip-on-lead (FCOL), CI incorporati e i fori di via termici. Queste tecniche permettono la fabbricazione di convertitori c.c./c.c. di dimensioni SOIC-16 capaci di alimentare carichi elevati senza la complicazione e i costi dei metodi di raffreddamento attivo o di grandi dissipatori passivi. I prodotti RxxC05TExxS hanno una R_θja di 63,8 °C/W, rispetto a circa 90 °C/W dei prodotti convenzionali.

In determinate circostanze, ad esempio in spazi chiusi vicino a macchine alimentate da grandi motori elettrici che irradiano molto calore, la temperatura ambiente può salire ancor più. In queste situazioni, i produttori di chip raccomandano il declassamento (cioè la riduzione della potenza di uscita del dispositivo per abbassare la dissipazione di potenza e a sua volta T_j). Ad esempio, si consideri il secondo convertitore c.c./c.c. descritto sopra; un aumento di temperatura a 110 °C lascerebbe solo circa 38 °C di temperatura in più, che è meno di quanto raccomandato per una durata estesa del prodotto. La Figura 7 mostra la curva di declassamento termico per il modello RxxC05TExxS di RECOM Power.

Figura 7: Curva di declassamento termico per il convertitore c.c./c.c. RxxC05TExxS di RECOM Power. Il produttore raccomanda di diminuire la potenza di uscita oltre T_a = 104 °C per evitare danni a lungo termine al componente. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Conclusione

L'alimentazione di sensori IIoT wireless a bassa potenza per applicazioni come il monitoraggio delle condizioni delle macchine è un compito impegnativo, poiché l'ambiente operativo è spesso caldo e sporco. I dispositivi di monitoraggio sensibili devono essere alimentati con una tensione continua costante e pulita ed essere protetti dalle elevate sovratensioni transitorie tipiche delle apparecchiature industriali. Inoltre, lo spazio è solitamente limitato e i costi devono essere mantenuti bassi.

Una nuova generazione di convertitori c.c./c.c. isolati aiuta ora i progettisti ad affrontare queste sfide. Le soluzioni compatte a montaggio superficiale permettono un facile assemblaggio e offrono l'alta densità di energia, il risparmio di spazio, la durata e l'efficacia richiesti. Inoltre, le nuove tecniche di confezionamento e di produzione hanno abbassato l'impedenza termica, permettendo ai dispositivi di funzionare in ambienti chiusi e ad alta temperatura senza la necessità di dissipatori di calore costosi e ingombranti.