วิธีเลือกและใช้ตัวแปลง DC/DC แบบแยกสำหรับเซ็นเซอร์ IoT อุตสาหกรรม

การเพิ่มประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ Industrial Internet of Things (IIoT) แบบไร้สายสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การตรวจสอบสภาพเครื่องจักรนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทาย เซ็นเซอร์ต้องมีขนาดกะทัดรัด แข็งแรง ติดตั้งง่าย และราคาไม่แพง แต่จะต้องทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นระยะเวลานานโดยมีการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย เมื่อเซ็นเซอร์ทำงานผิดปกติอาจทำให้ข้อมูลสำคัญที่เกี่ยวกับสภาพของเครื่องจักรขาดหายไป การซ่อมแซมราคาสูง ไปจนถึงจากทำให้ระบบหรือสายการผลิตขัดข้องอย่างรุนแรง

บทความนี้จะกล่าวถึงรายละเอียดของความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อสร้างแหล่งจ่ายไฟให้เซ็นเซอร์ IIoT ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่สำหรับการใช้งานในการตรวจสอบสภาพเครื่องจักร จากนั้นจะอธิบายว่าตัวแปลง DC/DC แบบแยกที่มีความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงจาก RECOM Power สามารถใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟพื้นฐานที่จัดการกับความท้าทายเหล่านี้ โดยไม่ต้องใช้ฮีทซิงค์ราคาแพงและขนาดใหญ่เทอะทะ

การตรวจสอบสภาพคืออะไร

การตรวจสอบสภาพช่วยแก้ปัญหาเกี่ยวกับรอบเวลาในการบำรุงรักษาเชิงป้องกันสำหรับเครื่องจักรและกระบวนการที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อน เทคนิคนี้อาศัยการทราบสถานะของส่วนประกอบของเครื่องจักร เพื่อให้สามารถซ่อมบำรุงหรือเปลี่ยนก่อนที่จะไม่สามารถใช้งานได้ ตัวอย่างเช่น โดยการตรวจสอบลักษณะการสั่นสะเทือนของมอเตอร์อย่างต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์สามารถระบุสถานะสึกหรอของแบริ่งและคาดการณ์ล่วงหน้าเพื่อระบุว่าจะเกิดความเสียหายเมื่อใด จากอัตราการสึกหรอในปัจจุบัน ข้อมูลดังกล่าวช่วยให้วิศวกรสามารถเพิ่มระยะเวลาทำงานได้อีกทั้งยังหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: หากไม่มีการบำรุงรักษา กระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อนและเครื่องจักรล้มเหลวในที่สุด ส่งผลให้หยุดทำงานนานขึ้น แม้หลังจากการซ่อมแซม อุปกรณ์ก็อาจจะสึกหรอซ้ำแล้วซ้ำอีก (ด้านล่าง) แผนการบำรุงรักษาเชิงป้องกันจะกำหนดช่วงเวลาการเข้าบำรุงรักษาบ่อยครั้ง เพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการและเครื่องจักรสามารถทำงานอย่างยาวนานและเครื่องจักรไม่เสื่อมสภาพ แต่ใช้ทรัพยากรมาก (ปานกลาง) การตรวจสอบสภาพช่วยเพิ่มช่วงเวลาทำงานของเครื่องจักรได้โดยไม่มีความเสี่ยงต่อการเกิดความล้มเหลวของเครื่องจักรพร้อมทั้งลดต้นทุนการบำรุงรักษา (บนสุด) (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

เซ็นเซอร์ IIoT เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานตรวจสอบสภาพ อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดเหล่านี้สามารถติดใกล้กับเครื่องจักรหรือจุดที่เกิดความล้มเหลวที่ทราบอยู่แล้ว เพื่อเพิ่มความแม่นยำในการวัด การเชื่อมต่อแบบไร้สายช่วยให้สามารถอัปเดตสภาพได้ตามปกติโดยไม่ต้องเดินสายการสื่อสารที่มีราคาแพง

ความท้าทายในการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายสำหรับเซ็นเซอร์ IIoT นั้นเอาชนะได้ยาก เป็นเรื่องปกติที่สภาพแวดล้อมการใช้งานทั่วไปนั่นค่อนข้างที่จะสกปรก มีการสั่นสะเทือนมาก อุณหภูมิสูง และมีแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย พื้นที่ว่างมักจะเป็นจุดที่มีค่า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนต้องการแรงดันไฟฟ้า DC ที่ต่อเนื่อง สะอาด และควบคุมได้อย่างแม่นยำ

ตัวแปลง DC/DC แบบแยกรุ่นใหม่ เช่น ซีรี่ส์ RxxCTExx จาก RECOM Power นำเสนอโซลูชั่น อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดเหล่านี้ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูง ขนาดกะทัดรัด ทนทาน และประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเซ็นเซอร์ IIoT ตัวแปลงมีให้ในชุดติดตั้งบนพื้นผิวที่สามารถส่งกำลังได้ถึง 1 วัตต์ โดยที่ใช้พื้นที่บนบอร์ดพีซีน้อยที่สุด

แหล่งจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ IIoT เชิงพาณิชย์ที่มีความทนทาน

ความก้าวหน้าของแพ็คเกจ เช่น การรวมส่วนให้พลังงานและควบคุมบนซิลิคอนชิ้นเดียวกัน และการใช้หม้อแปลงแบบรูปทรงต่ำ ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถนำเสนอตัวแปลง DC/DC แบบแยกที่มีสเปคสูงสำหรับการใช้งานเซ็นเซอร์ IIoT ตัวอย่างเช่น ตัวแปลง DC/DC ของ RECOM Power ใช้องค์ประกอบการออกแบบ เช่น หม้อแปลงชนิดระนาบเพื่อลดความสูงของชิปให้เหลือน้อยกว่าสามมิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ซีรี่ส์ RxxCTExx ของ RECOM มาในแพ็คเกจ SOIC-16 แบบยึดพื้นผิวขนาดกะทัดรัดที่มีความสูงน้อยกว่า 3 มม. (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

การใช้แพ็คเกจมาตรฐาน SOIC-16 ช่วยให้สามารถจัดการและประกอบโดยใช้อุปกรณ์อัตโนมัติ สุดท้ายแล้วขนาดที่กะทัดรัดของชิปช่วยให้นำส่วนควบคุมกำลังไฟฟ้าไปไว้ใกล้กับโหลดมากขึ้น ทำให้ออกแบบง่ายขึ้นและลดขนาดลง

ตัวแปลง DC/DC ของ RECOM Power ราคาประหยัดให้กำลังไฟฟ้า 0.5 (R05C05TE05S-CT) หรือ 1 วัตต์ (R05CTE05S-CT ) ที่เอาต์พุต 5 โวลต์ (แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมสูงสุด 50 มิลลิโวลต์ p-p (mV_pp)) จากอินพุต 4.5 ถึง 5.5 โวลต์เล็กน้อย แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตของตัวแปลงเข้ากันได้กับเซ็นเซอร์แอคทีฟยอดนิยมและไมโครคอนโทรลเลอร์หรือส่วนหน้า DSP ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูล อุปกรณ์ R05C05TE05S-CT 0.5 วัตต์มีกระแสไฟเข้า 240 มิลลิแอมป์ (mA) ในขณะที่รุ่น R05CTE05S-CT 1 วัตต์มีกระแสไฟขาเข้า 370 mA ตัวแปลงนี้มีการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร กระแสเกิน และอุณหภูมิเกินสำหรับความน่าเชื่อถือสูงในการใช้งาน IIoT

ตัวแปลงรุ่น 0.5 วัตต์สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิแวดล้อมสูงถึง 100°C โดยไม่มีการลดทอน ขณะที่ผลิตภัณฑ์ขนาด 1 วัตต์สามารถใช้ได้สูงสุด 72°C อุปกรณ์ทั้งสองเป็นไปตามมาตรฐาน IEC 62368-1 (อุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศ ข้อกำหนดทั่วไปเพื่อความปลอดภัย)

ตัวแปลง DC/DC ไม่มีข้อกำหนดโหลดขั้นต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่มักจะเปลี่ยนเป็นโหมดการทำงานไปโหมดที่โหลดน้อยมากเพื่อประหยัดพลังงาน นี่เป็นโหมดการทำงานทั่วไปสำหรับเซ็นเซอร์ IIoT R05C05TE05S-CT สามารถเอาท์พุตได้ 0.6 วัตต์ (โดยที่กระแสไฟเข้าเพิ่มขึ้นเป็น 255 mA) เป็นเวลาสูงสุด 60 วินาที ระยะเวลาการกู้คืนสามเท่าของระยะเวลาพลังงานสูงสุดก่อนจะสามารถเข้าถึงพลังงานสูงสุดได้อีกครั้ง (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ตัวแปลง DC/DC RECOM Power R05C05TE05S-CT 0.5 วัตต์ สามารถให้กำลังขับสูงสุด 0.6 วัตต์ นานถึง 60 วินาที ระยะเวลาการกู้คืนสามเท่าของระยะเวลาพลังงานสูงสุดก่อนจึงจะสามารถดึงพลังงานสูงสุดได้อีกครั้ง (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

ตอบสนองความต้องการในการแยก

สภาพแวดล้อมรอบๆ โหนด IIoT อาจมีไฟกระชากสูงทุกครั้งที่สตาร์ทหรือหยุดเครื่องจักรหนัก ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัยและเพื่อป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปราะบาง อุปกรณ์จ่ายไฟ DC ของเซ็นเซอร์จำเป็นต้องแยกออกจากแหล่งจ่ายหลัก

ตัวแปลง DC/DC ของ RECOM Power ใช้หม้อแปลงภายในเพื่อแยกเอาต์พุตออกจากอินพุต อุปกรณ์นี้มีแรงดันไฟฟ้าแยก 3 kV DC (พิกัด 60 วินาที) และผ่านการทดสอบเป็นเวลา 1 วินาทีจนถึงแรงดันแยกสูงสุด 3.6 kV DC ความต้านทานของฉนวน (500 โวลต์กระแสตรง, 25°C) คือ 50 จิกะโอห์ม (GΩ) และระยะห่างภายนอก >8 มม. รูปที่ 4 แสดงวงจรประยุกต์สำหรับตัวแปลง DC/DC แบบแยก

รูปที่ 4: วงจรประยุกต์สำหรับตัวแปลง DC/DC แบบแยก RECOM Power RxxC05TExxS (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

ความสำคัญของการจัดการความร้อน

ความหนาแน่นพลังงานของตัวแปลง DC/DC มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (W/cm³) ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถเพิ่มกำลังไฟฟ้าที่มีให้ในการนำไปใช้งานโดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่ขึ้น หรือเพื่อรักษากำลังขับและยังลดขนาดโดยรวมของผลิตภัณฑ์

กุญแจสำคัญของแหล่งจ่ายไฟของตัวแปลง DC/DC ที่ส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงานที่มีค่าสูงสูงคือการเพิ่มประสิทธิภาพของชิปและ/หรือการเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อน ทำให้สามารถใช้แพ็คเกจที่เล็กลงและมีอุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่สูงขึ้นได้

ตัวแปลง DC/DC ของ RECOM Power ให้ประสิทธิภาพที่ดีสำหรับอุปกรณ์สวิตช์กึ่งควบคุมแบบแยกราคาไม่แพง คุณลักษณะสำคัญที่ทำให้ตัวแปลง DC/DC โดดเด่นจากอุปกรณ์ของคู่แข่งคือกราฟประสิทธิภาพค่อนข้างคงที่ที่ 20 เปอร์เซ็นต์จนถึงช่วงโหลดเอาต์พุตสูงสุด (รูปที่ 5) อุปกรณ์คู่แข่งกันมักจะมีประสิทธิภาพต่ำที่โหลดเอาต์พุตต่ำและปานกลาง

รูปที่ 5: แสดงเป็นกราฟของประสิทธิภาพเทียบกับเปอร์เซ็นต์โหลดเอาต์พุตสำหรับ R05C05TE05S-CT ตัวแปลงสวิตชิ่งแบบแยกให้ประสิทธิภาพที่ดีในช่วงโหลดที่กว้าง (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

อุณหภูมิจุดแยกสูงสุด (T_jmax) ของตัวแปลง (วัดที่จุดศูนย์กลางส่วนบนของซิลิกอนไดย์) มักมีรายละเอียดอยู่ในแผ่นข้อมูล โดยมีเงื่อนไขว่าอุปกรณ์ไม่เกินขีดจำกัดนี้ ผู้ผลิตจึงจะรับประกันประสิทธิภาพ การทำงานที่สูงกว่าอุณหภูมินี้อาจเปลี่ยนค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จนไม่สามารถทำงานตามที่ตั้งใจไว้ได้อีกต่อไปและอาจทำให้เกิดความเสียหายถาวร

T_j สำหรับอุปกรณ์กระจายพลังงานแบบคงที่ เช่น ตัวควบคุม DC/DC ส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับความต้านทานความร้อนแบบหลายทางภายใน (Ψ_jt) และประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมขณะทำงาน Ψ_jt พิจารณาทุกวิถีทางที่ความร้อนสามารถออกจากส่วนประกอบได้ รวมถึงผ่านทางด้านล่างของชิปผ่านบอร์ดพีซี พารามิเตอร์นี้วัดได้ยากนอกห้องปฏิบัติการ และมักไม่รวมอยู่ในแผ่นข้อมูล ตัวแปรที่ดีสำหรับ Ψ_jt คือ θ_ja เป็นการวัดค่าความต้านทานความร้อน (R_θja ) ของเส้นทางความร้อนเส้นเดียวจากแม่พิมพ์ซิลิกอนโดยตรงไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบที่วัดได้ง่ายกว่า หน่วยของ R_ja คือ องศาเซนติเกรด (หรือเคลวิน (K)) ต่อ W (°C/W) สามารถประมาณค่า T_j ได้จากสมการดังนี้

นักออกแบบชิ้นส่วนมุ่งหวังที่จะลดความต้านทานความร้อนภายในและเพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนแบบนำความร้อนและการพาความร้อนให้สูงสุด เพื่อรักษาอุณหภูมิของส่วนประกอบให้ต่ำลงและให้ "ค่าส่วนต่าง" ระหว่าง T_j และ T_jmax ที่น่าพอใจ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ผู้ผลิตชิ้นส่วนกำหนดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุด (T_jmax ) สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่เพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานที่เหมาะสม สำหรับการกระจายกำลังไฟฟ้าที่กำหนด Tj ส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยความต้านทานความร้อนรวมของชิ้นส่วน และอุณหภูมิแวดล้อม (T_a) (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

เซ็นเซอร์ IIoT มักทำงานในสภาพแวดล้อมที่จำกัดโดยมีการระบายอากาศเพียงเล็กน้อย ซึ่งอาจทำให้อุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น และสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมสามารถเข้าใกล้ 70°C ได้โดยง่าย ค่า T_a สูงนี้ส่งผลกระทบต่ออุณหภูมิของส่วนประกอบ

พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้สำหรับตัวแปลง DC/DC ทั่วไป:

หากไม่มีการเพิ่มต้นทุนและขนาดด้วยการใช้ฮีทซิงค์ อุปกรณ์นี้จะไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเนื่องจากค่าส่วนต่างของอุณหภูมิที่จำกัดมาก

ทางออกที่ดีกว่าคือการเลือกอุปกรณ์ที่มีช่วงอุณหภูมิที่ขยายออกไป มีตัวควบคุม DC/DC เชิงพาณิชย์จำนวนมากที่มี T_jmax อยู่ที่ 125 °C และบางส่วนเช่น โซลูชันจาก RECOM Power มีค่าสูดสุดที่ 150°C ประการที่สอง แรงดันไฟขาเข้าและขาออกสามารถอยู่ใกล้กันมากขึ้น (ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของตัวควบคุมเชิงเส้นและด้วยเหตุนี้จึงช่วยลดการกระจายพลังงาน) และประการที่สาม ผู้ออกแบบควรเลือกอุปกรณ์ที่มีความต้านทานความร้อนต่ำที่สุด

พิจารณาตัวอย่างที่สองสำหรับตัวแปลง DC/DC ที่เลือกโดยคำนึงถึงเกณฑ์เหล่านี้:

ตัวเลือกนี้ให้ค่าส่วนต่างของอุณหภูมิมากซึ่งช่วยยืดอายุผลิตภัณฑ์

ซีรี่ส์ RxxCTExx ของ RECOM Power ใช้ 3D Power Packaging (3DPP) เพื่อลดความต้านทานความร้อน 3DPP ใช้ประโยชน์จากการปรับวัสดุให้เหมาะสม เทคนิคการผลิต และวิธีการถ่ายเทความร้อนจากจุดเชื่อมต่อสู่บรรยากาศหลายจุดเช่น ไอซี Flip-chip-on-lead (FCOL) แบบฝัง และจุดความร้อนเพื่อลดความต้านทานความร้อน เทคนิคเหล่านี้ช่วยให้สามารถผลิตตัวแปลง DC/DC ขนาด SOIC-16 ที่สามารถจ่ายไฟให้กับโหลดสูงได้โดยปราศจากความยุ่งยากและต้นทุนของวิธีการระบายความร้อนแบบแอ็คทีฟหรือฮีทซิงค์แบบพาสซีฟขนาดใหญ่ ผลิตภัณฑ์ RxxC05TExxS มี R_ja 63.8°C/W เทียบกับประมาณ 90°C/W สำหรับผลิตภัณฑ์ทั่วไป

ในบางสถานการณ์ เช่น ในพื้นที่ปิดใกล้กับเครื่องจักรที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่แผ่ความร้อนออกมามาก อุณหภูมิแวดล้อมอาจสูงขึ้นได้ ในสถานการณ์เหล่านี้ ผู้ผลิตชิปแนะนำให้ลดค่าพิกัดลง (เช่น จำกัดกำลังขับของอุปกรณ์เพื่อลดการกระจายพลังงานและในทางกลับกันกับค่า T_j) ตัวอย่างเช่น พิจารณาตัวแปลง DC/DC ตัวที่สองที่มีรายละเอียดด้านบน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเป็น 110°C จะทำให้อุณหภูมิส่วนต่างเหลือเพียง 38°C ซึ่งน้อยกว่าที่แนะนำสำหรับการยืดอายุผลิตภัณฑ์ รูปที่ 7 แสดงกราฟการลดค่าความร้อนสำหรับ RECOM Power RxxC05TExxS

รูปที่ 7: กราฟการลดความร้อนสำหรับตัวแปลง DC/DC RECOM Power RxxC05TExxS ผู้ผลิตแนะนำให้ลดกำลังขับที่สูงกว่า T_a = 104°C เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายระยะยาวที่อาจเกิดกับชิ้นส่วน (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

สรุป

การจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์ IIoT ไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การตรวจสอบการปรับสภาพเครื่องจักร ถือว่าเป็นที่สำคัญ เนื่องจากสภาพแวดล้อมการทำงานที่ร้อนและสกปรก อุปกรณ์ตรวจสอบที่มีความละเอียดอ่อนต้องได้รับแรงดันไฟฟ้า DC ที่สม่ำเสมอและสะอาด และได้รับการป้องกันจากไฟกระชากแรงดันสูงที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์อุตสาหกรรม นอกจากนี้ พื้นที่ว่างมักจะมีค่าและจะต้องลดค่าใช้จ่ายลง

ตัวแปลง DC/DC แบบแยกรุ่นใหม่ช่วยให้นักออกแบบสามารถรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ได้ โซลูชันยึดพื้นผิวที่มีขนาดกะทัดรัดช่วยให้ประกอบได้ง่ายและมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ประหยัดพื้นที่ ความทนทาน และมีประสิทธิภาพตามที่ต้องการ นอกจากนี้แพคเกจและการผลิตแบบใหม่ช่วยลดความต้านทานความร้อน ทำให้อุปกรณ์ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงแบบปิดได้โดยไม่ต้องใช้ฮีทซิงค์ที่มีราคาแพงและมีขนาดเทอะทะ