如何為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器選擇和使用隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

為機器狀態(tài)監(jiān)測等應(yīng)用中的無線工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 傳感器供電，是一項富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這些傳感器必須外形緊湊、堅固耐用、易于部署且價格低廉，但又能長期穩(wěn)定地工作，極少或不需要維護。傳感器故障可能造成的影響包括錯過關(guān)于機器狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、昂貴的修理費用，以及災(zāi)難性的系統(tǒng)或生產(chǎn)線故障。

本文詳細介紹了設(shè)計人員在為狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中的電池供電型 IIoT 傳感器構(gòu)建電源時所面臨的挑戰(zhàn)。然后介紹如何將 RECOM Power 高能量密度的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用作電源基礎(chǔ)，在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的同時，避免使用昂貴且笨重的散熱器。

什么是狀態(tài)監(jiān)測？

狀態(tài)監(jiān)測克服了大型、復(fù)雜機械和工藝中存在的預(yù)防性維護計劃問題。這項技術(shù)依賴于對機器部件狀態(tài)的了解，以便在故障發(fā)生之前對其進行維修或更換。例如，通過不斷監(jiān)測電機的振動特征，軟件可以確定軸承的磨損狀態(tài)，并推斷出按當前的磨損速度何時會導(dǎo)致故障。工程師可利用這類信息延長服務(wù)間隔，同時避免計劃外停機時間（圖 1）。

圖 1：如果不進行維護，復(fù)雜的工業(yè)過程和機器最終會出現(xiàn)故障，導(dǎo)致更長的停機時間。即使經(jīng)過修理，磨損的設(shè)備也會繼續(xù)出現(xiàn)重復(fù)故障（下圖）。預(yù)防性維護方案可計劃頻繁的服務(wù)間隔，以確保工藝過程和機器能夠長期運行，而且機器不會出現(xiàn)磨損，但這需要投入大量資源（中圖）。利用狀態(tài)監(jiān)測可以延長服務(wù)周期，在消除故障風(fēng)險的同時降低維護成本（上圖）。（圖片來源：RECOM Power）

IIoT 傳感器是狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的理想選擇。這些外形緊湊的器件可按機械方式連接到已知的機器或工藝故障點附近，以提高測量精度。通過無線連接可以定期更新狀態(tài)，而不需要昂貴的通信線路。

IIoT 傳感器的電源設(shè)計面臨非常嚴峻的挑戰(zhàn)。典型的應(yīng)用環(huán)境非常臟，可能有大量振動，溫度可能很高，危險電壓隨處可見?？臻g往往非常珍貴，而且敏感的電子器件需要持續(xù)、無干擾且精準調(diào)節(jié)的直流電壓。

新一代隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如 RECOM Power 的 RxxCTExx 系列，提供了一種解決方案。這些緊湊型器件具有 IIoT 傳感器應(yīng)用所需的高能量密度、緊湊的尺寸、高耐用性和高能效。這些轉(zhuǎn)換器采用表面貼裝封裝，能夠提供高達 1 瓦的功率，同時僅占用極少的印刷電路板空間。

堅固的商用 IIoT 傳感器電源

封裝技術(shù)的進步（例如在同一片硅芯片上集成電源和控制元件，以及采用扁平變壓器）使制造商能夠為 IIoT 傳感器應(yīng)用提供高規(guī)格的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。例如，RECOM Power 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用平面型變壓器等設(shè)計元件，將芯片的高度縮減至不足三毫米 (mm)（圖 2）。

圖 2：RECOM 的 RxxCTExx 系列采用緊湊型表面貼裝 SOIC-16 封裝，厚度不足 3 毫米。（圖片來源：RECOM Power）

由于采用標準的 SOIC-16 封裝，因此可使用自動化設(shè)備進行處理和組裝。最后，這些芯片體積小巧，因而可以將功率調(diào)節(jié)置于更靠近負載的位置，從而簡化設(shè)計并縮小設(shè)計尺寸。

低成本的 RECOM Power DC/DC 轉(zhuǎn)換器可從 4.5 到 5.5 伏標稱輸入提供 5 伏電壓下的 0.5 瓦 (R05C05TE05S-CT) 或 1 瓦 (R05CTE05S-CT) 輸出（輸出電壓紋波不超過 50 毫伏 p-p (mVp-p)）。轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與流行的有源傳感器系列以及常用于數(shù)據(jù)分析的微控制器或 DSP 前端保持兼容。R05C05TE05S-CT 0.5 瓦器件的輸入電流為 240 毫安 (mA)，而 R05CTE05S-CT 1 瓦版本的輸入電流為 370 mA。這些轉(zhuǎn)換器配備了短路、過流和過溫保護，在 IIoT 應(yīng)用中具有高可靠性。

0.5 瓦版本可以在高達 100°C 的環(huán)境溫度下無降額運行，1 瓦版本的產(chǎn)品則可以在 72°C 以下使用。這兩種器件均符合 IEC 62368-1 標準（信息技術(shù)設(shè)備，一般安全要求）。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器沒有最低負載要求，因而非常適合經(jīng)常切換到輕載工作模式以節(jié)省能源的應(yīng)用。這是 IIoT 傳感器的一種常見工作模式。R05C05TE05S-CT 可以輸出 0.6 瓦功率（輸入電流升至 255 毫安），最長持續(xù) 60 秒 (s)。在再次進入峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持續(xù)時間的恢復(fù)期（圖 3）。

圖 3：RECOM Power 的 R05C05TE05S-CT 0.5 瓦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以提供 0.6 瓦的峰值輸出功率，最長持續(xù) 60 秒。在再次到達峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持續(xù)時間的恢復(fù)期。（圖片來源：RECOM Power）

滿足隔離需求

每當重型機械啟動或停止時，IIoT 節(jié)點周圍的環(huán)境就會出現(xiàn)高電涌。為了安全起見以及保護脆弱的電子設(shè)備，傳感器的直流電源需要與主電源隔離。

RECOM Power 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用一個內(nèi)部變壓器將輸出與輸入隔離。這些器件具有 3 kV 直流隔離電壓（額定值，持續(xù) 60 秒鐘），并且經(jīng)測試，可在 3.6 kV 最大直流隔離電壓下持續(xù) 1 秒鐘。絕緣電阻（500 伏直流，25℃）為 50 歐姆 (Ω)，外部間隙 >8 毫米。圖 4 顯示了隔離式 DC/DC 變換器的應(yīng)用電路。

圖 4：RECOM Power 的 RxxC05TExxS 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路。（圖片來源：RECOM Power）

熱管理的重要性

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的能量密度以瓦特每立方厘米 (W/cm3) 為單位。更高的功率密度使設(shè)計人員能夠在不增加元器件尺寸的情況下增加應(yīng)用的可用功率，或者在減小產(chǎn)品整體尺寸的同時保持功率輸出。

對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商來說，提高能量密度的關(guān)鍵在于提升芯片的能效和/或增強其熱性能，從而能夠使用更小的封裝和更高的最大工作溫度。

RECOM Power 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為低成本、隔離式、半調(diào)壓開關(guān)器件提供了良好的能效。它們得以從競爭器件中脫穎而出，憑借的關(guān)鍵特性是，在 20% 到滿輸出負載范圍內(nèi)具有相對平坦的能效曲線（圖 5）。而同類競爭器件在低、中輸出負載下的能效表現(xiàn)則往往不如人意。

圖 5：圖中顯示了 R05C05TE05S-CT 的能效與輸出負載百分比關(guān)系圖。隔離式開關(guān)轉(zhuǎn)換器在廣泛的負載范圍內(nèi)提供了良好的能效。（圖片來源：RECOM Power）

元器件的最大結(jié)溫 (Tjmax) （在硅芯片的頂面中心測量）通常在規(guī)格書中詳細說明。只要器件不超過此限值，制造商就能保證器件的性能。超過此溫度工作會改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，使其不再具有預(yù)期的性能，甚至可能造成永久性損壞。

對于 DC/DC 穩(wěn)壓器等固定功率耗散器件而言，Tj 在很大程度上取決于內(nèi)部的多路徑熱阻 (Ψjt)，以及向直接環(huán)境傳熱的效率。Ψjt 會考慮熱量可以從元器件中逸出的所有途徑，包括經(jīng)由印刷電路板從芯片的底面逸出。這一參數(shù)在實驗室外很難測量，通常未包括在規(guī)格書中。θja 是 Ψjt 一個不錯的替代參數(shù)；它是從硅芯片直接到周邊環(huán)境的單一熱路徑的熱阻抗 (Rθja) 指標，其測量過程更為簡單。Rθja 的單位是攝氏度（或開爾文 (K)）每瓦 (°C/W)。Tj 可通過以下公式進行估算：

元器件設(shè)計人員的目標是最小化內(nèi)部熱阻抗，并最大化傳導(dǎo)和對流傳熱，以保持較低的元器件溫度，并提供介于 Tj 和 Tjmax 之間令人滿意的“開銷”（圖 6）。

圖 6：元器件制造商規(guī)定了有源器件的最高結(jié)溫 (Tjmax)，以確保其正常工作。對于給定的功率耗散，Tj 主要取決于元器件的總熱阻抗和環(huán)境溫度 (Ta)。（圖片來源：RECOM Power）

IIoT 傳感器經(jīng)常在幾乎沒有通風(fēng)的封閉環(huán)境中運行。這可能導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，在工業(yè)環(huán)境下可以輕松接近 70℃。這么高的 Ta 會影響元器件的溫度開銷。

以下述典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為例：

由于溫度開銷非常有限，如果為避免增加成本和體積而不使用散熱器，這種器件將不適合該應(yīng)用。

更好的解決方案是選擇一個具有擴展溫度范圍的器件。有許多商用 DC/DC 穩(wěn)壓器的 Tjmax 高達 125°C，還有一些，如 RECOM Power 的解決方案，更是將其擴展到 150°C。其次，可以更緊密地匹配輸入和輸出電壓（這將提高線性穩(wěn)壓器的效率，從而降低功率耗散）。第三，設(shè)計者應(yīng)考慮選擇具有最低熱阻抗的器件。

考慮另一個依據(jù)下列標準選擇的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器示例：

此選項提供了相當大的溫度開銷，有助于延長產(chǎn)品壽命。

RECOM Power 的 RxxCTExx 系列采用三維電源封裝 (3DPP) 來降低熱阻抗。3DPP 利用材料優(yōu)化、制造技術(shù)和各種結(jié)環(huán)傳熱方法，如引線倒裝片 (FCOL)、嵌入式 IC 和熱通孔，來降低熱阻抗。利用這些技術(shù)可以制造 SOIC-16 尺寸的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，既能為高負載供電，還可避免主動式冷卻方法或大型無源散熱片帶來的復(fù)雜性和成本。RxxC05TExxS 產(chǎn)品的 Rθja 為 63.8℃/W，相比之下，傳統(tǒng)產(chǎn)品約為 90℃/W。

在某些情況下，例如在封閉空間內(nèi)，靠近由大型電機供電且輻射大量熱量的機器時，環(huán)境溫度會上升得更高。在這類情況下，芯片制造商建議降額使用（即限制器件的輸出功率以降低功率耗散，進而降低 Tj）。例如，考慮以上詳述的第二個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器；當溫度上升到 110°C 時，只留下約 38°C 的溫度開銷，低于延長產(chǎn)品壽命的建議值。圖 7 顯示了 RECOM Power RxxC05TExxS 的熱衰減曲線。

圖 7：RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC 轉(zhuǎn)換器的熱衰減曲線。制造商建議在 Ta = 104°C 以上降低輸出功率，以免對元器件造成長期損害。（圖片來源：RECOM Power）

結(jié)語

為機器狀態(tài)監(jiān)測等應(yīng)用中的低功耗無線 IIoT 傳感器供電，是一項相當有挑戰(zhàn)的任務(wù)，因為它們的工作環(huán)境不僅熱而且臟。敏感的監(jiān)測器件必須獲得穩(wěn)定、無干擾的直流電壓并受到保護，以防范工業(yè)設(shè)備中常見的高電壓浪涌。此外，空間往往非常珍貴，而且需要降低成本。

現(xiàn)在，新一代的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可幫助設(shè)計人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。緊湊的表面貼裝解決方案便于輕松組裝，并可滿足高能量密度、節(jié)省空間、高耐用性和高能效等要求。此外，新型封裝和制造技術(shù)也降低了熱阻抗，使器件能夠在封閉的高溫環(huán)境中工作，而不需要昂貴且笨重的散熱器。