如何为工业物联网传感器选择和使用隔离式 DC/DC 转换器
发布时间：2022-4-11 11:12
发布者：eechina
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来源：Digi-Key 为机器状态监测等应用中的无线工业物联网 (IIoT) 传感器供电，是一项富有挑战性的任务。这些传感器必须外形紧凑、坚固耐用、易于部署且价格低廉，但又能长期稳定地工作，极少或不需要维护。传感器故障可能造成的影响包括错过关于机器状况的关键数据、昂贵的修理费用，以及灾难性的系统或生产线故障。 本文详细介绍了设计人员在为状态监测应用中的电池供电型 IIoT 传感器构建电源时所面临的挑战。然后介绍如何将 RECOM Power 高能量密度的隔离式 DC/DC 转换器用作电源基础，在应对这些挑战的同时，避免使用昂贵且笨重的散热器。 什么是状态监测？ 状态监测克服了大型、复杂机械和工艺中存在的预防性维护计划问题。这项技术依赖于对机器部件状态的了解，以便在故障发生之前对其进行维修或更换。例如，通过不断监测电机的振动特征，软件可以确定轴承的磨损状态，并推断出按当前的磨损速度何时会导致故障。工程师可利用这类信息延长服务间隔，同时避免计划外停机时间（图 1）。 
图 1：如果不进行维护，复杂的工业过程和机器最终会出现故障，导致更长的停机时间。即使经过修理，磨损的设备也会继续出现重复故障（下图）。预防性维护方案可计划频繁的服务间隔，以确保工艺过程和机器能够长期运行，而且机器不会出现磨损，但这需要投入大量资源（中图）。利用状态监测可以延长服务周期，在消除故障风险的同时降低维护成本（上图）。（图片来源：RECOM Power） IIoT 传感器是状态监测应用的理想选择。这些外形紧凑的器件可按机械方式连接到已知的机器或工艺故障点附近，以提高测量精度。通过无线连接可以定期更新状态，而不需要昂贵的通信线路。 IIoT 传感器的电源设计面临非常严峻的挑战。典型的应用环境非常脏，可能有大量振动，温度可能很高，危险电压随处可见。空间往往非常珍贵，而且敏感的电子器件需要持续、无干扰且精准调节的直流电压。 新一代隔离式 DC/DC 转换器，如 RECOM Power 的 RxxCTExx 系列，提供了一种解决方案。这些紧凑型器件具有 IIoT 传感器应用所需的高能量密度、紧凑的尺寸、高耐用性和高能效。这些转换器采用表面贴装封装，能够提供高达 1 瓦的功率，同时仅占用极少的印刷电路板空间。 坚固的商用 IIoT 传感器电源 封装技术的进步（例如在同一片硅芯片上集成电源和控制元件，以及采用扁平变压器）使制造商能够为 IIoT 传感器应用提供高规格的隔离式 DC/DC 转换器。例如，RECOM Power 的 DC/DC 转换器使用平面型变压器等设计元件，将芯片的高度缩减至不足三毫米 (mm)（图 2）。 
图 2：RECOM 的 RxxCTExx 系列采用紧凑型表面贴装 SOIC-16 封装，厚度不足 3 毫米。（图片来源：RECOM Power） 由于采用标准的 SOIC-16 封装，因此可使用自动化设备进行处理和组装。最后，这些芯片体积小巧，因而可以将功率调节置于更靠近负载的位置，从而简化设计并缩小设计尺寸。 低成本的 RECOM Power DC/DC 转换器可从 4.5 到 5.5 伏标称输入提供 5 伏电压下的 0.5 瓦 (R05C05TE05S-CT) 或 1 瓦 (R05CTE05S-CT) 输出（输出电压纹波不超过 50 毫伏 p-p (mVp-p)）。转换器的输出电压与流行的有源传感器系列以及常用于数据分析的微控制器或 DSP 前端保持兼容。R05C05TE05S-CT 0.5 瓦器件的输入电流为 240 毫安 (mA)，而 R05CTE05S-CT 1 瓦版本的输入电流为 370 mA。这些转换器配备了短路、过流和过温保护，在 IIoT 应用中具有高可靠性。 0.5 瓦版本可以在高达 100°C 的环境温度下无降额运行，1 瓦版本的产品则可以在 72°C 以下使用。这两种器件均符合 IEC 62368-1 标准（信息技术设备，一般安全要求）。 DC/DC 转换器没有最低负载要求，因而非常适合经常切换到轻载工作模式以节省能源的应用。这是 IIoT 传感器的一种常见工作模式。R05C05TE05S-CT 可以输出 0.6 瓦功率（输入电流升至 255 毫安），最长持续 60 秒 (s)。在再次进入峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持续时间的恢复期（图 3）。 
图 3：RECOM Power 的 R05C05TE05S-CT 0.5 瓦 DC/DC 转换器可以提供 0.6 瓦的峰值输出功率，最长持续 60 秒。在再次到达峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持续时间的恢复期。（图片来源：RECOM Power） 满足隔离需求 每当重型机械启动或停止时，IIoT 节点周围的环境就会出现高电涌。为了安全起见以及保护脆弱的电子设备，传感器的直流电源需要与主电源隔离。 RECOM Power 的 DC/DC 转换器使用一个内部变压器将输出与输入隔离。这些器件具有 3 kV 直流隔离电压（额定值，持续 60 秒钟），并且经测试，可在 3.6 kV 最大直流隔离电压下持续 1 秒钟。绝缘电阻（500 伏直流，25℃）为 50 欧姆 (Ω)，外部间隙 >8 毫米。图 4 显示了隔离式 DC/DC 变换器的应用电路。 
图 4：RECOM Power 的 RxxC05TExxS 隔离式 DC/DC 转换器的应用电路。（图片来源：RECOM Power） 热管理的重要性 DC/DC 转换器的能量密度以瓦特每立方厘米 (W/cm3) 为单位。更高的功率密度使设计人员能够在不增加元器件尺寸的情况下增加应用的可用功率，或者在减小产品整体尺寸的同时保持功率输出。 对于 DC/DC 转换器供应商来说，提高能量密度的关键在于提升芯片的能效和/或增强其热性能，从而能够使用更小的封装和更高的最大工作温度。 RECOM Power 的 DC/DC 转换器为低成本、隔离式、半调压开关器件提供了良好的能效。它们得以从竞争器件中脱颖而出，凭借的关键特性是，在 20% 到满输出负载范围内具有相对平坦的能效曲线（图 5）。而同类竞争器件在低、中输出负载下的能效表现则往往不如人意。 
图 5：图中显示了 R05C05TE05S-CT 的能效与输出负载百分比关系图。隔离式开关转换器在广泛的负载范围内提供了良好的能效。（图片来源：RECOM Power） 元器件的最大结温 (Tjmax) （在硅芯片的顶面中心测量）通常在规格书中详细说明。只要器件不超过此限值，制造商就能保证器件的性能。超过此温度工作会改变半导体的电导率，使其不再具有预期的性能，甚至可能造成永久性损坏。 对于 DC/DC 稳压器等固定功率耗散器件而言，Tj 在很大程度上取决于内部的多路径热阻 (Ψjt)，以及向直接环境传热的效率。Ψjt 会考虑热量可以从元器件中逸出的所有途径，包括经由印刷电路板从芯片的底面逸出。这一参数在实验室外很难测量，通常未包括在规格书中。θja 是 Ψjt 一个不错的替代参数；它是从硅芯片直接到周边环境的单一热路径的热阻抗 (Rθja) 指标，其测量过程更为简单。Rθja 的单位是摄氏度（或开尔文 (K)）每瓦 (°C/W)。Tj 可通过以下公式进行估算： 
元器件设计人员的目标是最小化内部热阻抗，并最大化传导和对流传热，以保持较低的元器件温度，并提供介于 Tj 和 Tjmax 之间令人满意的“开销”（图 6）。 
图 6：元器件制造商规定了有源器件的最高结温 (Tjmax)，以确保其正常工作。对于给定的功率耗散，Tj 主要取决于元器件的总热阻抗和环境温度 (Ta)。（图片来源：RECOM Power） IIoT 传感器经常在几乎没有通风的封闭环境中运行。这可能导致环境温度上升，在工业环境下可以轻松接近 70℃。这么高的 Ta 会影响元器件的温度开销。 以下述典型 DC/DC 转换器为例： 
由于温度开销非常有限，如果为避免增加成本和体积而不使用散热器，这种器件将不适合该应用。 更好的解决方案是选择一个具有扩展温度范围的器件。有许多商用 DC/DC 稳压器的 Tjmax 高达 125°C，还有一些，如 RECOM Power 的解决方案，更是将其扩展到 150°C。其次，可以更紧密地匹配输入和输出电压（这将提高线性稳压器的效率，从而降低功率耗散）。第三，设计者应考虑选择具有最低热阻抗的器件。 考虑另一个依据下列标准选择的 DC/DC 转换器示例： 
此选项提供了相当大的温度开销，有助于延长产品寿命。 RECOM Power 的 RxxCTExx 系列采用三维电源封装 (3DPP) 来降低热阻抗。3DPP 利用材料优化、制造技术和各种结环传热方法，如引线倒装片 (FCOL)、嵌入式 IC 和热通孔，来降低热阻抗。利用这些技术可以制造 SOIC-16 尺寸的 DC/DC 转换器，既能为高负载供电，还可避免主动式冷却方法或大型无源散热片带来的复杂性和成本。RxxC05TExxS 产品的 Rθja 为 63.8℃/W，相比之下，传统产品约为 90℃/W。 在某些情况下，例如在封闭空间内，靠近由大型电机供电且辐射大量热量的机器时，环境温度会上升得更高。在这类情况下，芯片制造商建议降额使用（即限制器件的输出功率以降低功率耗散，进而降低 Tj）。例如，考虑以上详述的第二个 DC/DC 转换器；当温度上升到 110°C 时，只留下约 38°C 的温度开销，低于延长产品寿命的建议值。图 7 显示了 RECOM Power RxxC05TExxS 的热衰减曲线。 
图 7：RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC 转换器的热衰减曲线。制造商建议在 Ta = 104°C 以上降低输出功率，以免对元器件造成长期损害。（图片来源：RECOM Power） 结语 为机器状态监测等应用中的低功耗无线 IIoT 传感器供电，是一项相当有挑战的任务，因为它们的工作环境不仅热而且脏。敏感的监测器件必须获得稳定、无干扰的直流电压并受到保护，以防范工业设备中常见的高电压浪涌。此外，空间往往非常珍贵，而且需要降低成本。 现在，新一代的隔离式 DC/DC 转换器可帮助设计人员应对这些挑战。紧凑的表面贴装解决方案便于轻松组装，并可满足高能量密度、节省空间、高耐用性和高能效等要求。此外，新型封装和制造技术也降低了热阻抗，使器件能够在封闭的高温环境中工作，而不需要昂贵且笨重的散热器。 |
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