כיצד לבחור ולהשתמש בממיר DC/DC מבודד עבור חיישן IoT תעשייתי

הספקת-כוח לחיישני אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) אלחוטי עבור יישומים כגון ניטור מצב מכונה היא מאתגרת. החיישנים חייבים להיות קומפקטיים, חסונים, קלים להתקנה וזולים, ועם זאת לעבוד בצורה אמינה לתקופות ארוכות עם מעט או ללא תחזוקה. השלכות כשל חיישנים נעות בין נתונים חיוניים חסרים לגבי מצב המכונה, דרך תיקונים יקרים ועד לכשל קטסטרופלי של המערכת או קו הייצור.

מאמר זה מפרט את האתגרים העומדים בפני המתכננים בעת בניית ספקי כוח לחיישני IIoT מוזני-סוללה עבור יישומי ניטור מצב. לאחר מכן הוא מתאר כיצד ניתן להשתמש בממירי DC/DC מבודדים עם צפיפות אנרגיה גבוהה מבית RECOM Power כבסיס לספקי כוח הנותנים מענה לאתגרים אלה, מבלי להזדקק לצלעות-קירור יקרות ומגושמות.

מהו ניטור מצב?

ניטור מצב מתגבר על הבעיות של לוחות זמנים לתחזוקה מונעת עבור מכונות ותהליכים גדולים ומורכבים. הטכניקה מסתמכת על ידיעת המצב של רכיבי מכונה כך שניתן יהיה לטפל בהם או להחליפם הרבה לפני שמתרחשת תקלה. לדוגמה, על ידי ניטור מתמיד של חתימת הרעידות של מנוע, תוכנה יכולה לקבוע את מצב הבלאי של מסב ולבצע אקסטרפולציה כדי לקבוע מתי קצב הבלאי הנוכחי יגרום לתקלה. מידע כזה מאפשר למהנדסים להאריך את מרווחי השירות תוך הימנעות מזמן השבתה לא-מתוכננת (איור 1).

איור 1: ללא תחזוקה, תמיד תהיינה תקלות בתהליכים ובמכונות תעשייתיות מורכבות, וכתוצאה מכך נגרמות השבתות ממושכות. גם לאחר התיקון ממשיכות להתרחש תקלות חוזרות ונשנות של ציוד בלוי (למטה). תוכניות תחזוקה מונעת מתזמנות מרווחי שירות תכופים כדי להבטיח שתהליכים ומכונות יפעלו לתקופות ארוכות תוך מניעת בלאי של המכונות, אך הן אינטנסיביות מבחינת המשאבים (באמצע). ניטור מצב מאפשר מרווחי שירות ארוכים ללא סיכון לתקלה ותוך הקטנת עלויות התחזוקה (למעלה). (מקור התמונה: RECOM Power)

חיישני IIoT הם אפשרות טובה עבור יישומי ניטור מצב. התקנים קומפקטיים אלה ניתנים לחיבור מכני קרוב לנקודות כשל ידועות במכונה או בתהליך כדי לשפר את דיוק המדידה. חיבוריות אלחוטית מאפשרת עדכוני מצב שוטפים ללא צורך בחיווט תקשורת יקר.

אתגר התכנון של ספק הכוח עבור חיישני IIoT הוא קשה. סביבת היישום הטיפוסית היא מזוהמת, יכולות להיות הרבה רעידות, הטמפרטורות יכולות להיות גבוהות מאוד ומתחים מסוכנים הם דבר שבשגרה. המקום הוא לעתים קרובות שיקול עיקרי, והאלקטרוניקה הרגישה דורשת מתח DC רצוף, נקי ומיוצב במדויק.

דור חדש של ממירי DC/DC מבודדים כמו סדרת RxxCTExx‏ מבית RECOM Power מספק פתרון. התקנים קומפקטיים אלה מספקים את צפיפות האנרגיה הגבוהה, הגודל הקומפקטי, העמידות והנצילות הדרושים עבור יישומי חיישן IIoT. הממירים מסופקים במארזי הרכבה-משטחית ומסוגלים לספק עד 1 וואט תוך תפיסת מקום מינימלי על לוח המעגלים המודפסים.

ספקי כוח מסחריים חסונים עבור חיישן IIoT

ההתקדמות במארזים, כגון שילוב רכיבי הספקת-כוח ובקרה על אותה פיסת סיליקון, ושימוש בשנאים בעלי פרופיל נמוך, מאפשרים ליצרנים להציע ממירי DC/DC מבודדים במפרט גבוה עבור יישומי חיישני IIoT. ממירי DC/DC מבית RECOM Power, כדוגמה, משתמשים באלמנטי תכן כגון שנאים פלאנאריים כדי להנמיך את גובהי השבב לפחות משלושה מילימטרים (מ"מ) (איור 2).

איור 2: סדרת RxxCTExx של RECOM מסופקת במארזי SOIC-16 קומפקטיים להרכבה-משטחית עם פרופיל של פחות מ-3 מ"מ. (מקור התמונה: RECOM Power)

השימוש במארזי SOIC-16 סטנדרטיים מאפשר טיפול והרכבה באמצעות ציוד אוטומטי. לבסוף, הגודל הקומפקטי של השבבים מאפשר למקם את ייצוב הספקת-הכוח קרוב הרבה יותר לעומס, מה שמפשט ומכווץ את התכן.

ממירי RECOM Power DC/DC בעלות נמוכה מספקים 0.5 וואט (R05C05TE05S-CT) או 1 וואט (R05CTE05S-CT) ביציאה של 5 וולט (אדוות מתח היציאה היא מקסימום 50 מילי-וולט P-P‏ (_P-P‏mV‏) מכניסה נומינלית של 4.5 עד 5.5 וולט. מתח היציאה של הממירים תואם למשפחות פופולריות של חיישנים אקטיביים ומיקרו-בקרים או קצה-קדמי DSP הנפוצים עבור ניתוח נתונים. להתקן R05C05TE05S-CT‏ 0.5 וואט יש זרם כניסה של 240 מיליאמפר (mA), בעוד לגרסת R05CTE05S-CT‏ 1 וואט יש זרם כניסה של mA‏ 370‏. הממירים מצוידים בהגנות מפני קצר, זרם-יתר וטמפרטורת-יתר לטובת אמינות גבוהה ביישומי IIoT.

גרסת 0.5 וואט יכולה לפעול בטמפרטורות סביבה של עדC‏°‏100‏ ללא ירידת הערך הנומינלי (Derating‏), בעוד שמוצר 1 וואט יכול לשמש עד 72°C‏. שני ההתקנים תואמים לתקן IEC 62368-1 (ציוד טכנולוגיית מידע, דרישות כלליות לבטיחות).

לממירי DC/DC אין דרישת עומס מינימלית, ולכן הם מתאימים ליישומים שלעתים קרובות עוברים לאופני פעולה לעומס קל ביותר כדי לחסוך באנרגיה. זהו אופן הפעולה הנפוץ עבור חיישני IIoT. ה-R05C05TE05S-CT יכול להפיק 0.6 וואט (עם זרם כניסה העולה ל- mA‏ 255) למשך של עד 60 שניות. לאחר מכן נדרש זמן התאוששות של פי שלוש ממשך הספק השיא לפני שניתן יהיה להגיע שוב להספק השיא (איור 3).

איור 3: ממיר DC/DC‏ RECOM Power R05C05TE05S-CT‏ 0.5 וואט יכול לספק ביציאה הספק שיא של 0.6 וואט למשך של עד 60 שניות. לאחר מכן נדרש זמן התאוששות של פי שלוש ממשך הספק השיא לפני שניתן יהיה להגיע שוב להספק השיא. (מקור התמונה: RECOM Power)

עמידה בדרישות הבידוד

הסביבה סביב צומת IIoT נתונה לנחשולי מתח גבוהים בכל פעם שמכונות כבדות מופעלות או עוצרות. מטעמי בטיחות וכדי להגן על אלקטרוניקה רגישה, ספקי הכוח DC של החיישן דורשים בידוד מהספק הראשי.

ממירי RECOM Power DC/DC משתמשים בשנאי פנימי כדי לבודד את היציאה מהכניסה. להתקנים יש מתח בידוד של DC‏ kV‏ 3‏ (מדורג למשך 60 שניות) ונבדקים למשך שנייה אחת במתח הבידוד המקסימלי של DC‏ kV‏ 3.6‏. התנגדות הבידוד (500 וולט DC‏, 25°C) היא 50 גיגה-אוהם (GΩ) ומרווח Clearance‏ החיצוני הוא >8 מ"מ. איור 4 מציג מעגל יישום עבור ממיר DC/DC מבודד.

איור 4‏: מעגל יישום עבור ממיר DC/DC‏ מבודד RECOM Power RxxC05TExxS. (מקור התמונה: RECOM Power)

החשיבות של ניהול תרמי

צפיפות האנרגיה של ממיר DC/DC נמדדת בוואטים לסנטימטר מעוקב (^3‏W/cm). צפיפות הספק גבוהה יותר מאפשרת למתכננים להגדיל את ההספק הזמין עבור היישום מבלי להשתמש ברכיב גדול יותר, או לשמור על יציאת ההספק תוך כיווץ הממדים הכוללים של המוצר.

עבור ממירי DC/DC, המפתח לצפיפות אנרגיה גבוהה הוא להגדיל את נצילות השבב ו/או לשפר את הביצועים התרמיים שלו - מה שמאפשר שימוש במארז קטן יותר ובטמפרטורת פעולה מקסימלית גבוהה יותר.

ממירי RECOM Power DC/DC מציעים נצילות טובה עבור התקני מיתוג לא-יקרים, מבודדים ומיוצבים-למחצה. מאפיין עיקרי המבדל אותם מהתקנים מתחרים הוא שעקומת הנצילות היא שטוחה יחסית מעבר ל- 20 אחוז של תחום עומסי היציאה המלא (איור 5). התקנים מתחרים מציגים לעתים קרובות נצילות ירודה בעומסי יציאה נמוכים ובינוניים.

איור 5‏: גרף של נצילות לעומת אחוז עומס יציאה עבור ה- RECOM R05C05TE05S-CT. הממירים הממותגים המבודדים מעניקים נצילות טובה בתחום עומסים רחב. (מקור התמונה: RECOM Power)

טמפרטורת הצומת המקסימלית (_jmax‏T‏) של הרכיב (החלק העליון הנמדד במרכז פיסת הסיליקון) מפורטת בדרך כלל בגיליון הנתונים. בתנאי שההתקן אינו חורג מגבול זה, היצרן מבטיח ביצועים. פעולה מעל טמפרטורה זו עלולה לשנות את המוליכות של המוליך-למחצה כך שהוא לא מתפקד עוד כמתוכנן ואף עלולה לגרום לנזק קבוע.

הטמפרטורה _j‏T‏ עבור התקן עם פיזור הספק קבוע כגון מייצב DC/DC תלויה במידה רבה בהתנגדות התרמית הפנימית (_jt‏Ψ) של מספר הנתיבים, וביעילות העברת החום לסביבה המיידית. ההתנגדות התרמית _jt‏Ψ משקללת את כל הדרכים שבאמצעותם חום יכול להיפלט מתוך הרכיב, כולל תחתית השבב דרך לוח המעגלים המודפסים. פרמטר זה הוא קשה למדידה מחוץ למעבדה ולעתים קרובות אינו כלול בגיליון הנתונים. מדד טוב עבור _jt‏Ψ הוא _ja‏θ; זהו מדד של האימפדנס התרמי (_θja‏R‏) של נתיב חום בודד מפיסת הסיליקון ישירות לסביבה המיידית שהוא קל יותר למדידה. היחידות של _θja‏R‏ הן מעלות צלזיוס (או קלווין (K)) ליחידת W‏ (‎°C/W). את _j‏T‏ ניתן להעריך באמצעות המשוואה:

מתכנני רכיבים שואפים להקטין למינימום את האימפדנס התרמי הפנימי ולמקסם את העברת החום בהולכה ובהסעה כדי לשמור על טמפרטורת רכיבים נמוכה ולספק מרווח מתאים בין _j‏T‏ לבין _jmax‏T‏ (איור 6).

איור 6: יצרני הרכיבים מציינים טמפרטורת צומת מקסימלית (_jmax‏T) עבור התקן אקטיבי המבטיחה פעולה תקינה. עבור פיזור הספק נתון, _j‏T‏ נקבע במידה רבה על ידי האימפדנס התרמי הכולל של הרכיב וטמפרטורת הסביבה (_a‏T‏). (מקור התמונה: RECOM Power)

חיישני IIoT פועלים לעתים קרובות בסביבות מוגבלות עם מעט אוורור. זה יכול לגרום לטמפרטורת הסביבה לעלות, והיא עלולה להתקרב בקלות ל- 70°C‏ בסביבות תעשייתיות. טמפרטורת _a‏T‏ גבוהה זו משפיעה על מרווח הטמפרטורה של הרכיב.

נבחן את הדוגמה הבאה עבור ממיר DC/DC טיפוסי:

מבלי להוסיף עלות ונפח עקב שימוש בצלעות קירור, התקן זה לא יהיה מתאים ליישום בגלל מרווח הטמפרטורה המוגבל ביותר.

פתרון טוב יותר יהיה לבחור בהתקן עם תחום טמפרטורות מורחב. ראשית, ישנם מייצבי DC/DC מסחריים רבים המציעים _jmax‏T‏ של 125°C, וכמה, כגון הפתרון של RECOM Power, המרחיבים אפילו עד 150°C‏. שנית, מתחי הכניסה והיציאה יכולים להיות מתואמים טוב יותר (מה שמעלה את הנצילות של מייצב ליניארי ולכן מוריד את פיזור ההספק). ושלישית, המתכננים צריכים לחפש את ההתקן עם האימפדנס התרמי הנמוך ביותר.

נבחן דוגמה שנייה לממיר DC/DC שנבחר תוך התחשבות בקריטריונים הבאים:

אפשרות זו מספקת מרווח ניכר בטמפרטורה המסייע להאריך את חיי המוצר.

סדרת RxxCTExx של RECOM Power משתמשת במארז 3D Power Packaging‏ (3DPP‏) כדי להקטין את האימפדנס התרמי. 3DPP מנצל את היתרונות של אופטימיזציה של חומרים, טכניקות ייצור ומגוון שיטות העברת חום מהצומת-לסביבה כגון Flip-Chip-on-Lead‏ (FCOL‏), מעגלים-משולבים (IC‏) משובצים ומעברים (Vias) תרמיים להקטנת האימפדנס התרמי. טכניקות אלו מאפשרות ייצור של ממירי DC/DC בגודל SOIC-16 שיכולים להפעיל עומסים גבוהים ללא הסיבוך והעלויות של שיטות קירור אקטיביות או צלעות-קירור פסיביות גדולות. למוצרי RxxC05TExxS יש _θja‏R‏ של 63.8°C/W, בהשוואה לכ-90°C/W עבור מוצרים קונבנציונליים.

בנסיבות מסוימות, למשל בחללים סגורים ליד מכונות המופעלות על ידי מנועים חשמליים גדולים המקרינים חום רב, טמפרטורת הסביבה יכולה לעלות עוד יותר. במצבים אלה, יצרני השבבים ממליצים על הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) (כלומר, הגבלת הספק היציאה של ההתקן כדי להקטין את פיזור ההספק ובתורה את _j‏T‏). לדוגמה, נבחן את ממיר DC/DC השני המפורט לעיל; עלייה בטמפרטורה ל- 110°C תשאיר מרווח טמפרטורה של כ- 38°C בלבד, וזה פחות מהמומלץ להארכת חיי המוצר. איור 7 מציג את עקומת ירידת הערך הנומינלי (Derating‏) עבור ה- RxxC05TExxS של RECOM Power.

איור 7‏: עקומת ירידת הערך הנומינלי (Derating‏) עבור ממיר DC/DC‏ RxxC05TExxS של RECOM Power‏. היצרן ממליץ להקטין את הספק היציאה מעל 104°C‏ = _a‏T‏ כדי למנוע נזק ארוך טווח לרכיב. (מקור התמונה: RECOM Power)

סיכום

הספקת-כוח עבור חיישני IIoT אלחוטיים בהספק נמוך עבור יישומים כגון ניטור מצב מכונה היא משימה משמעותית מכיוון שסביבת הפעולה היא חמה ומזוהמת. התקני ניטור רגישים חייבים להיות מסופקים עם מתח DC יציב ונקי, ולהיות מוגנים מפני עליות המתח הגבוה הנפוצות בציוד תעשייתי. בנוסף, המקום הוא בדרך כלל במחיר גבוה ויש להפחית את העלויות.

דור חדש של ממירי DC/DC מבודדים עוזר כעת למתכננים לעמוד באתגרים אלו. פתרונות קומפקטיים בהרכבה-משטחית מאפשרים הרכבה קלה ומציעים את צפיפות האנרגיה הגבוהה, החיסכון במקום, העמידות והנצילות הנדרשים. בנוסף, טכניקות מארזים וייצור חדשות הקטינו את האימפדנס התרמי, מה שמאפשר להתקנים לפעול בסביבות סגורות בטמפרטורה גבוהה ללא צורך בצלעות-קירור יקרות ומגושמות.