Erotetun DC/DC-muuntimen valinta ja käyttö teollisen IoT-anturin kanssa

Langattomien IIoT-antureiden (Industrial Internet of Things) virransyöttö koneiden kunnonvalvonnan kaltaisissa sovelluksissa on haastavaa. Antureiden on oltava kompakteja, kestäviä, helposti käyttöönotettavia ja edullisia, mutta niiden tulee silti toimia luotettavasti pitkiä aikoja vähällä huollolla tai täysin ilman huoltoa. Anturivian seuraukset ulottuvat siitä, että koneen kuntoa koskevia elintärkeitä tietoja ei saada, aina järjestelmän vaatimiin kalliisiin korjauksiin tai tuotantolinjan katastrofaaliseen vikaan.

Tässä artikkelissa käsitellään haasteita, joita suunnittelijat kohtaavat rakentaessaan virtalähteitä akku- tai paristokäyttöisille IIoT-antureille kunnonvalvontasovelluksia varten. Sen jälkeen siinä kuvataan, miten erotettuja RECOM Power DC/DC-muuntimia voidaan käyttää perustana virtalähteille, joilla ratkaistaan nämä haasteet ilman kalliita ja tilaa vieviä jäähdytyselementtejä.

Mitä on kunnonvalvonta?

Kunnonvalvonnalla ratkaistaan suurten ja kompleksisten koneiden ja prosessien ennakoivan huollon aikatauluongelmat. Tekniikka perustuu siihen, että koneen komponentin tila tunnetaan, jolloin se voidaan huoltaa tai vaihtaa hyvissä ajoin ennen sen vikaantumista. Ohjelmisto voi esimerkiksi seurata jatkuvasti moottorin värähtelykäyttäytymistä ja näin määrittää laakerin kulumisasteen. Näin se voi laskea ekstrapoloimalla milloin komponentti rikkoutuu nykyisellä kulumisvauhdilla. Tällaisten tietojen avulla insinöörit voivat pidentää huoltovälejä ja välttää suunnittelemattomia seisokkeja (kuva 1).

Kuva 1: Jos monimutkaisia teollisia prosesseja ja koneita ei huolleta, ne lopulta vikaantuvat ja aiheuttavat pitkiä seisokkeja. Kuluneisiin laitteisiin tulee uudestaan vikoja korjauksen jälkeenkin (alhaalla). Ennakoivassa huollossa käytetään säännöllisiä huoltovälejä sen varmistamiseksi, että prosessit ja koneet kestävät pitkään ja etteivät koneet kulu loppuun. Ne vaativat kuitenkin paljon resursseja (keskellä). Kunnonvalvonta mahdollistaa pidemmät huoltovälit ilman vikaantumisriskiä ja laskee samalla huoltokustannuksia (ylhäällä). (Kuvan lähde: RECOM Power)

IIoT-anturit ovat hyvä vaihtoehto kunnonvalvontasovelluksiin. Nämä kompaktit laitteet voidaan kiinnittää mekaanisesti lähelle koneiden tai prosessien tunnettuja vikakohtia mittaustarkkuuden parantamiseksi. Langaton yhteys mahdollistaa säännölliset kuntopäivitykset ilman kalliiden tiedonsiirtojohtojen tarvetta.

IIoT-anturit asettavat kuitenkin korkeat suunnitteluhaasteet virtalähteelle. Tyypillinen käyttöympäristö on likainen, siellä voi esiintyä paljon tärinää, lämpötilat voivat olla hyvin korkeita ja vaaralliset jännitteet ovat tavallisia. Tilaa on usein niukasti, ja herkkä elektroniikka vaatii jatkuvaa, puhdasta ja tarkasti säädettyä tasajännitettä.

RECOM Powerin RxxCTExx-sarjan kaltaiset uuden sukupolven erotetut DC/DC-muuntimet tarjoavat yhden ratkaisun. Nämä kompaktit laitteet tarjoavat IIoT-anturisovelluksiin tarvittavan korkean energiatiheyden, kompaktin koon, kestävyyden ja hyötysuhteen. Muuntimet käyttävät pintaliitoskoteloa ja tarjoavat jopa 1 watin tehon vieden vain minimaalisesti piirilevytilaa.

Lujatekoiset kaupalliset IIoT-anturien virtalähteet

Sellaiset kotelointitekniikan edistysaskeleet kuten teho- ja ohjauselementtien sijoittaminen samalle piikappaleelle ja matalaprofiilisten muuntajien käyttö mahdollistavat sen, että valmistajat voivat tarjota IIoT-anturisovelluksiin korkeatasoisia erotettuja DC/DC-muuntimia. Esimerkiksi RECOM Power DC/DC-muuntimissa käytetään sellaisia rakenne-elementtejä kuten planaarimuuntajat, joiden avulla sirukorkeus saadaan kutistettua alle kolmeen millimetriin (mm) (kuva 2).

Kuva 2: RECOM RxxCTExx -sarja käyttää kompaktia SOIC-16-pintaliitoskoteloa, jonka profiilikorkeus on alle 3 mm. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Standardikokoisten SOIC-16-koteloiden käyttö mahdollistaa niiden käsittelyn ja kokoonpanon automatisoidulla laitteistolla. Sirujen kompaktin koon ansiosta tehonsäätö voidaan sijoittaa paljon lähemmäksi kuormaa, mikä yksinkertaistaa ja pienentää rakennetta.

Edulliset RECOM Power DC/DC-muuntimet tuottavat 0,5 (R05C05TE05S-CT) tai 1 wattia (R05CTE05S-CT) 5 voltin lähtöjännitteellä (lähtöjännitteen aaltoilu on enintään 50 millivolttia p-p (mV_p-p)) käytettäessä 4,5–5,5 voltin nimellistä tulojännitettä. Muuntimien lähtöjännite on sopii käytettäväksi suosittujen aktiivisten anturiperheiden ja data-analyysiin yleisesti käytettävien mikrokontrollerien tai DSP-piirien etuasteiden kanssa. 0,5 watin R05C05TE05S-CT-piirin tulovirta on 240 milliampeeria (mA), kun taas 1 watin version R05CTE0505S-CT tulovirta on 370 mA. Muuntimet tarjoavat oikosulku-, ylivirta- ja ylikuumenemissuojauksen, mikä takaa korkean luotettavuuden IIoT-sovelluksissa.

0,5 watin versiota voidaan käyttää jopa 100 celsiusasteen ympäristölämpötilassa sen suorituskyvyn heikentymättä, kun taas 1 watin tuotetta voidaan käyttää enintään 72 celsiusasteen lämpötilassa. Molemmat laitteet ovat standardin IEC 62368-1 (tietotekniikan laitteet, yleiset turvallisuusvaatimukset) mukaisia.

Koska DC/DC-muuntimilla ei ole minimikuormitusvaatimusta, ne soveltuvat käyttökohteisiin, joissa vaihdetaan usein hyvin kevyen kuormituksen käyttötilaan energian säästämiseksi. Tämä on yleinen toimintatapa IIoT-antureissa. R05C05TE05S-CT voi syöttää 0,6 wattia (tulovirran noustessa arvoon 255 mA) jopa 60 sekunnin (s) ajan. Laite tarvitsee kolme kertaa huipputehon kestoajan pituisen palautumisajan ennen kuin huipputehoa voidaan käyttää uudelleen (kuva 3).

Kuva 3: 0,5 watin RECOM Power R05C05TE05S-CT DC/DC-muunnin voi tarjota 0,6 watin huippulähtötehon jopa 60 s ajan. Laite tarvitsee kolme kertaa huipputehon kestoajan pituisen palautumisajan ennen kuin huipputehoa voidaan käyttää uudelleen. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Erotusvaatimusten täyttäminen

IIoT-solmun viereiseen ympäristöön kohdistuu korkeita virtapiikkejä aina, kun raskaita koneita käynnistetään tai pysäytetään. Turvallisuussyistä ja herkän elektroniikan suojaamiseksi anturin tasavirtalähteet on erotettava päävirransyötöstä.

RECOM Power DC/DC-muuntimissa käytetään sisäistä muuntajaa, joka erottaa lähdön tulosta. Laitteet tarjoavat 3 kV:n DC-erotusjännitteen (luokiteltu 60 sekunnille), ja ne on testattu jopa 3,6 kV:n DC-erotusjännitteelle 1 sekunnin ajaksi. Eristysresistanssi (500 volttia DC, 25 °C) on 50 gigaohmia (GΩ) ja ulkoinen ilmaväli > 8 mm. Kuvassa 4 näytetään erotetun DC/DC-muuntimen sovelluspiiri.

Kuva 4: Erotetun RECOM Power RxxC05TExxxxS DC/DC-muuntimen sovelluspiiri. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Lämmönhallinnan merkitys

DC/DC-muuntimen energiatiheys mitataan watteina kuutiosenttimetriä kohti (W/cm³). Korkeamman tehotiheyden ansiosta suunnittelija voi nostaa sovelluksessa käytettävissä olevaa tehoa käyttämättä suurempaa komponenttikokoa tai säilyttää lähtötehon pienentämällä tuotteen kokonaismittoja.

DC/DC-muuntimien toimittaja voi tarjota suuren energiatiheyden tehostamalla sirun hyötysuhdetta ja/tai parantamalla sen termistä suorituskykyä. Tämä mahdollistaa pienemmän kotelon käytön ja korkeamman maksimikäyttölämpötilan.

RECOM Power DC/DC-muuntimet tarjoavat hyvän hyötysuhteen edullisille, erotetuille, osittain reguloiduille hakkurilaitteille. Keskeinen piirre, joka erottaa ne kilpailevista laitteista, on suhteellisen tasainen hyötysuhdekuvaaja 20 prosentin ja täyden lähtökuorman välisellä alueella (kuva 5). Kilpailevien laitteiden hyötysuhde on usein heikko pienillä ja keskisuurilla lähtökuormilla.

Kuva 5: Kuvassa näytetään R05C05TE05S-CT-piirin hyötysuhteen ja prosentuaalisen lähtökuorman välinen kuvaaja. Erotetut hakkurimuuntimet tarjoavat hyvän hyötysuhteen laajalla kuormitusalueella. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Komponentin maksimi rajapintalämpötila (T_jmax), joka mitataan piikappaleen keskikohdan päältä, on yleensä ilmoitettu teknisessä taulukossa. Valmistaja takaa laitteen suorituskyvyn niin kauan kuin se ei ylitä tätä rajaa. Puolijohteen käyttö tämän lämpötilan yläpuolella voi muuttaa sen johtavuutta niin, ettei se enää toimi suunnitellulla tavalla ja voi jopa aiheuttaa pysyviä vaurioita.

Tehohäviöltään kiinteän komponentin kuten DC/DC-säätimen T_j-arvo riippuu suurelta osin sisäisestä monitie-lämpöresistanssista (Ψ_jt) ja lämmönsiirron tehokkuudesta komponentin välittömään ympäristöön. Ψ_jt ottaa huomioon kaikki keinot, joilla lämpö voi poistua komponentista, myös sirun pohjan läpi piirilevyn kautta. Tätä parametria on vaikea mitata muutoin kuin laboratoriossa, eikä sitä useinkaan mainita teknisessä taulukossa. Ψ_jt-arvon hyvä likiarvo on θ_ja. Se on helpommin mitattava lämpöimpedanssia kuvaava (R_θja) arvo, joka kuvaa lämmön johtumista yhtä ainoaa reittiä piikappaleesta suoraan ympäristöön. R_θja-yksiköt ovat celsiusasteita (tai kelvinejä (K)) wattia kohti (°C/W). T_j voidaan arvioida yhtälöstä:

Komponenttien suunnittelijat pyrkivät minimoimaan sisäisen lämpöimpedanssin ja maksimoimaan johtavan ja konvektiivisen lämmönsiirron, jotta komponenttien lämpötilat pysyisivät alhaisina ja jotta T_j-arvon ja T_jmax-arvon välille saataisiin riittävästi liikkumavaraa (kuva 6).

Kuva 6: Komponenttien valmistajat määrittelevät aktiivikomponentille maksimin rajapintalämpötilan (T_jmax), jonka alapuolella komponentti toimii suunnitellulla tavalla. Tj määräytyy pitkälti komponentin kokonaislämpöimpedanssin ja ympäristön lämpötilan (T_a) mukaan annetulle tehohäviölle. (Kuvan lähde: RECOM Power)

IIoT-antureita käytetään usein ahtaissa ympäristöissä, joissa ilmanvaihto on heikkoa. Ympäristön lämpötila voi tästä syystä nousta, ja teollisuusympäristöissä lämpötila voi helposti nousta arvoon 70 °C. Tämä korkea T_a-arvo heikentää komponentin lämpötilan liikkumavaraa.

Tarkastellaanpa seuraavaa esimerkkiä tyypillisestä DC/DC-muuntimesta:

Jäähdytyselementin käyttö aiheuttaa lisäkustannuksia ja lisää tilantarvetta, mutta ilman sitä tämä komponentti ei soveltuisi esimerkkinä käytettävään käyttökohteeseen, koska lämpötilan liikkumavara on hyvin pieni.

Parempi ratkaisu olisi valita komponentti, jonka lämpötila-alue on laajempi. On ensinnäkin monia kaupallisia DC/DC-regulaattoreita, jotka tarjoavat T_jmax-arvon 125 °C, ja muutamat, kuten RECOM Powerin ratkaisu, laajentavat sen arvoon 150 °C. Toiseksi tulo- ja lähtöjännitteet voivat olla lähempänä toisiaan (mikä parantaa lineaarisen regulaattorin hyötysuhdetta ja siten pienentää tehohäviötä). Kolmanneksi suunnittelijan tulisi pyrkiä valitsemaan komponentti, jolla on alhaisin lämpöimpedanssi.

Tarkastellaanpa toista esimerkkiä DC/DC-muuntimesta, joka on valittu näiden kriteerien perusteella:

Tämä vaihtoehto tarjoaa lämpötilalle huomattavasti enemmän liikkumavaraa, mikä pidentää tuotteen käyttöikää.

RECOM Powerin RxxCTExx-sarjassa lämpöimpedanssia lasketaan käyttämällä 3DPP (3D Power Packaging) -tekniikkaa. 3DPP hyödyntää materiaalien optimointia, valmistustekniikoita ja erilaisia menetelmiä lämmön siirtämiseksi rajapinnan ja ympäristön välillä, esimerkkinä Flip-Chip-On-Lead (FCOL), sulautetut IC-piirit ja lämpökäytävät, joilla lämpöimpedanssia lasketaan. Nämä tekniikat mahdollistavat SOIC-16-kokoisten DC/DC-muuntimien valmistuksen, joilla voidaan syöttää suuria kuormia ilman aktiivisten jäähdytysmenetelmien tai suurten passiivisten jäähdytyselementtien aiheuttamia hankaluuksia ja kustannuksia. RxxC05TExxS-tuotteiden R_θja on 63,8 °C/W, kun taas perinteisten tuotteiden arvo on noin 90 °C/W.

Ympäristön lämpötila voi nousta vieläkin korkeammaksi tietyissä olosuhteissa, esimerkiksi suljetuissa tiloissa lähellä paljon lämpöä säteileviä suuria sähkömoottoreita. Näissä tilanteissa sirujen valmistajat suosittelevat tehonalennusta (eli komponentin lähtötehon rajoittamista, jotta tehohäviö ja siten T_j-arvo pienenisivät). Tarkastellaanpa esimerkiksi toista edellä kuvattua DC/DC-muunninta. Jos lämpötila nousee arvoon 110 °C, lämpötilalle jää liikkumavaraa vain noin 38 °C, mikä lyhentää tuotteen käyttöikää. Kuvassa 7 esitetään RECOM Power RxxC05TExxxxS -komponentin tehonalennuskäyrä lämpötilan funktiona.

Kuva 7: RECOM Power RxxC05TExxxxS DC/DC-muuntimen tehonalennuskäyrä lämpötilan funktiona. Valmistaja suosittelee lähtötehon vähentämistä yli T_a = 104 celsiusasteen lämpötilassa, jotta komponentti ei ajan myötä vaurioituisi . (Kuvan lähde: RECOM Power)

Yhteenveto

Vähävirtaisten langattomien IIoT-antureiden virransyöttö esimerkiksi koneiden kunnonvalvonnassa on vaativa tehtävä, koska käyttöympäristö on kuuma ja likainen. Herkille valvontalaitteille on syötettävä tasainen, puhdas tasajännite ja ne on suojattava teollisuuslaitteille tyypillisiltä korkeilta jännitepiikeiltä. Lisäksi tilaa on yleensä niukasti, ja kustannukset on pidettävä alhaisina.

Erotettujen DC/DC-muuntimien uusi sukupolvi auttaa nyt suunnittelijoita ratkaisemaan nämä haasteet. Kompaktit pintaliitosratkaisut mahdollistavat helpon kokoonpanon ja tarjoavat vaaditun korkean energiatiheyden, tilansäästön, kestävyyden ja tehokkuuden. Lisäksi uudet pakkaus- ja valmistustekniikat ovat laskeneet lämpöimpedanssia, minkä ansiosta laitteita voidaan käyttää suljetuissa lämpötilaltaan korkeissa ympäristöissä ilman kalliita ja tilaa vieviä jäähdytyselementtejä.