Cómo seleccionar y utilizar un convertidor de CC/CC aislado para un sensor de IoT industrial

La alimentación de sensores inalámbricos del Internet industrial de las cosas (IIoT) para aplicaciones como el monitoreo del estado de las máquinas es un desafío. Los sensores deben ser compactos, robustos, fáciles de implementar y baratos, pero deben funcionar de forma fiable durante largos periodos de tiempo con poco o ningún mantenimiento. Las implicaciones de los fallos de los sensores van desde la pérdida de datos vitales sobre el estado de la máquina, pasando por costosas reparaciones, hasta el fallo catastrófico del sistema o de la línea de producción.

En este artículo se detallan los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de construir fuentes de alimentación para sensores IIoT alimentados por baterías para aplicaciones de monitoreo de estado. A continuación, describe cómo los convertidores de CC/CC aislados y de alta densidad energética de RECOM Power pueden utilizarse como base para fuentes de alimentación que aborden estos desafíos, sin recurrir a disipadores térmicos caros y voluminosos.

¿Qué es el monitoreo de estado?

El monitoreo de estado supera los problemas de los programas de mantenimiento preventivo para maquinaria y procesos grandes y complejos. La técnica se basa en conocer el estado de un componente de la máquina para poder repararlo o reemplazarlo mucho antes de que se produzca un fallo. Por ejemplo, mediante el monitoreo constante de la firma de vibración de un motor, el software puede determinar el estado de desgaste de un rodamiento y extrapolar para determinar cuándo la tasa actual de desgaste podría causar una avería. Esta información permite a los ingenieros prolongar los intervalos de mantenimiento y evitar tiempos de inactividad imprevistos (Figura 1).

Figura 1: sin mantenimiento, los complejos procesos industriales y las máquinas acaban fallando, lo que provoca largos periodos de inactividad. Incluso después de la reparación, siguen produciéndose fallas repetidas en los equipos desgastados (abajo). Los planes de mantenimiento preventivo programan intervalos de servicio frecuentes para garantizar que los procesos y las máquinas funcionen durante largos periodos de tiempo y que las máquinas no se desgasten, pero requieren muchos recursos (medio). El monitoreo de estado permite ampliar los intervalos de servicio sin riesgo de fallo y reducir los costos de mantenimiento (arriba). (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Los sensores IIoT son una buena opción para las aplicaciones de monitoreo de estado. Estos dispositivos compactos pueden fijarse mecánicamente cerca de puntos de fallo conocidos de la máquina o del proceso para mejorar la precisión de la medición. La conectividad inalámbrica permite la actualización periódica del estado sin necesidad de un cableado de comunicación costoso.

El desafío del diseño de la fuente de alimentación para los sensores IIoT es difícil. El entorno típico de las aplicaciones es sucio, puede haber muchas vibraciones, las temperaturas pueden ser muy altas y los voltajes peligrosos son habituales. El espacio suele ser escaso, y los componentes electrónicos sensibles exigen un voltaje de CC continuo, limpio y regulado con precisión.

Una nueva generación de convertidores de CC/CC aislados, como la serie RxxCTExx de RECOM Power, ofrece una solución. Estos dispositivos compactos proporcionan la alta densidad de energía, el tamaño compacto, la durabilidad y la eficiencia necesarias para las aplicaciones de sensores IIoT. Los convertidores se suministran en paquetes de montaje en superficie capaces de suministrar hasta 1 vatio ocupando un espacio mínimo en la placa de CI.

Fuentes de alimentación de sensores IIoT comerciales y resistentes

Los avances en el empaquetado, como la incorporación de elementos de potencia y control en la misma pieza de silicio y el empleo de transformadores de bajo perfil, permiten a los fabricantes ofrecer convertidores de CC/CC aislados de altas especificaciones para aplicaciones de sensores IIoT. Los convertidores de CC/CC de RECOM Power, por ejemplo, utilizan elementos de diseño, como transformadores planares, para reducir la altura de los chips a menos de tres milímetros (mm) (Figura 2).

Figura 2: la serie RxxCTExx de RECOM se suministra en paquetes compactos SOIC-16 de montaje en superficie con un perfil inferior a 3 mm. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

El uso de paquetes estándar SOIC-16 permite la manipulación y el ensamblaje con equipos automatizados. Por último, el tamaño compacto de los chips permite colocar la regulación de potencia mucho más cerca de la carga, lo que simplifica y reduce el diseño.

Los convertidores de CC/CC RECOM Power de bajo costo proporcionan 0.5(R05C05TE05S-CT) o 1 vatio (R05CTE05S-CT) a 5 voltios de salida (la ondulación del voltaje de salida es de un máximo de 50 milivoltios p-p [mV_p-p]) a partir de una entrada nominal de 4.5 a 5.5 voltios. El voltaje de salida de los convertidores es compatible con las familias populares de sensores activos y los front-end de microcontroladores o procesadores de señal digital (DSP) que se utilizan habitualmente para el análisis de datos. El dispositivo R05C05TE05S-CT de 0.5 vatios tiene una corriente de entrada de 240 miliamperios (mA), mientras que la versión R05CTE05S-CT de 1 vatio tiene una corriente de entrada de 370 mA. Los convertidores están equipados con protección contra cortocircuitos, sobrecorriente y sobretemperatura para una alta fiabilidad en aplicaciones IIoT.

La versión de 0.5 vatios puede funcionar a temperaturas ambiente de hasta 100 °C sin reducción de potencia, mientras que el producto de 1 vatio puede utilizarse hasta 72 °C. Ambos dispositivos cumplen la norma IEC 62368-1(equipo de tecnología de la información, requisitos generales de seguridad).

Los convertidores de CC/CC no tienen ningún requisito de carga mínima, lo que los hace adecuados para aplicaciones que suelen pasar a modos de funcionamiento con cargas muy ligeras para ahorrar energía. Este es un modo de funcionamiento común para los sensores IIoT. El R05C05TE05S-CT puede emitir 0.6 vatios (con una corriente de entrada que asciende a 255 mA) por hasta 60 segundos (s). Se requiere un periodo de recuperación de tres veces la duración de la potencia máxima antes de poder acceder de nuevo a la potencia máxima (Figura 3).

Figura 3: el convertidor de CC/CC R05C05TE05S-CT RECOM Power de 0.5 vatios puede ofrecer una potencia de salida máxima de 0.6 vatios durante un máximo de 60 s. Se requiere un periodo de recuperación de tres veces la duración de la potencia máxima antes de que se pueda volver a consumir la potencia máxima. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Satisfacer las demandas de aislamiento

El entorno que rodea al nodo IIoT está sujeto a elevadas sobretensiones cada vez que se pone en marcha o se detiene la maquinaria pesada. Por razones de seguridad y para proteger los componentes electrónicos frágiles, las fuentes de alimentación de CC de los sensores deben estar aisladas de la alimentación principal.

Los convertidores de CC/CC RECOM Power utilizan un transformador interno para aislar la salida de la entrada. Los dispositivos cuentan con un voltaje de aislamiento de 3 kV CC (clasificados para 60 s) y se prueban durante 1 s a un voltaje de aislamiento máximo de 3.6 kV CC. La resistencia de aislamiento (500 voltios DC, 25 °C) es de 50 gigas de ohmios (GΩ) y la holgura externa es >8 mm. La Figura 4 muestra un circuito de aplicación para el convertidor de CC/CC aislado.

Figura 4: circuito de aplicación del convertidor de CC/CC aislado RxxC05TExxS RECOM Power. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

La importancia de la gestión térmica

La densidad de energía de un convertidor de CC/CC se mide en vatios por centímetro cúbico (W/cm³). Una mayor densidad de potencia permite al diseñador aumentar la potencia disponible para la aplicación sin utilizar un tamaño de componente mayor, o mantener la potencia de salida mientras se reducen las dimensiones totales del producto.

Para el proveedor de convertidores de CC/CC, la clave para ofrecer una alta densidad de energía es aumentar la eficiencia del chip o mejorar su rendimiento térmico, lo que permite utilizar un paquete más pequeño y una mayor temperatura máxima de funcionamiento.

Los convertidores de CC/CC RECOM Power ofrecen un buen rendimiento para dispositivos de conmutación económicos, aislados y semirregulados. Una característica clave que los distingue de los dispositivos de la competencia es que la curva de eficiencia es relativamente plana en todo el rango de carga de salida del 20% al máximo (Figura 5). Los dispositivos de la competencia suelen presentar una baja eficiencia con cargas de salida bajas y medias.

Figura 5: se muestra un gráfico de eficiencia frente al porcentaje de carga de salida para el R05C05TE05S-CT. Los convertidores de conmutación aislados ofrecen un buen rendimiento en una amplia gama de cargas. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

La temperatura máxima de conexión (T_jmax) de un componente (parte superior central medida del troquel de silicio) suele estar detallada en la hoja de datos. Siempre que el dispositivo no supere este límite, el fabricante garantiza su rendimiento. El funcionamiento por encima de esta temperatura puede cambiar la conductancia del semiconductor de tal manera que ya no funcione como estaba previsto e incluso puede causar daños permanentes.

T_j para un dispositivo de disipación de potencia fijo, como un regulador de CC/CC, depende en gran medida de la resistencia térmica interna multitrayecto (Ψ_jt) y de la eficacia de la transferencia de calor al entorno inmediato. Ψ_jt tiene en cuenta todos los medios por los que el calor puede salir del componente, incluso por la parte inferior del chip a través de la placa de PC. Este parámetro es difícil de medir fuera del laboratorio y a menudo no se incluye en la ficha técnica. Una buena aproximación a Ψ_jt es θ_ja; se trata de una medida de la impedancia térmica (R_θja) de una única vía de calor desde el molde de silicio directamente al entorno ambiental que es más sencilla de medir. Las unidades de R_θja son los grados centígrados (o Kelvin [K]) por W (°C/W). T_j se puede estimar a partir de la ecuación:

Los diseñadores de componentes tienen como objetivo minimizar la impedancia térmica interna y maximizar la transferencia de calor por conducción y convección para mantener bajas las temperaturas de los componentes y proporcionar una "sobrecarga" satisfactoria entre T_j y T_jmax (Figura 6).

Figura 6: los fabricantes de componentes especifican una temperatura de conexión máxima (T_jmax) para un dispositivo activo con el fin de garantizar un funcionamiento adecuado. Para una disipación de potencia dada, Tj viene determinada en gran medida por la impedancia térmica total del componente y la temperatura ambiente (_Ta). (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Los sensores IIoT suelen funcionar en entornos reducidos con poca ventilación. Esto puede provocar un aumento de la temperatura ambiente, que puede acercarse fácilmente a los 70 °C en entornos industriales. Esta elevada T_a impacta en la temperatura de sobrecarga del componente.

Considere el siguiente ejemplo para un típico convertidor de CC/CC:

Sin añadir costo y volumen mediante el uso de un disipador térmico, este dispositivo no sería adecuado para la aplicación debido a la muy limitada sobrecarga de temperatura.

Una mejor solución sería seleccionar un dispositivo con un rango de temperatura ampliado. Hay muchos reguladores de CC/CC comerciales que ofrecen una T_jmax de 125 °C, y unos pocos, como la solución RECOM Power, que la amplían a 150 °C. En segundo lugar, los voltajes de entrada y salida podrían coincidir más estrechamente (lo que aumenta la eficiencia de un regulador lineal y, por lo tanto, reduce la disipación de potencia). Y en tercer lugar, el diseñador debe tratar de seleccionar el dispositivo con la menor impedancia térmica.

Consideremos un segundo ejemplo para un convertidor de CC/CC seleccionado teniendo en cuenta estos criterios:

Esta opción proporciona una considerable sobrecarga de temperatura que ayuda a prolongar la vida del producto.

La serie RxxCTExx de RECOM Power emplea el empaquetado de potencia 3D (3DPP) para reducir la impedancia térmica. El 3DPP aprovecha la optimización de los materiales, las técnicas de fabricación y una serie de métodos de transferencia de calor de la conexión al ambiente, como la micropastilla volante en bastidor de conexión (FCOL), los CI integrados y las vías térmicas para reducir la impedancia térmica. Estas técnicas permiten fabricar convertidores de CC/CC de tamaño SOIC-16 que pueden alimentar cargas elevadas sin la complicación y los costos de los métodos de refrigeración activa o los grandes disipadores térmicos pasivos. Los productos RxxC05TExxS tienen un R_θja de 63.8 °C/W, en comparación con los 90 °C/W de los productos convencionales.

En determinadas circunstancias, por ejemplo en espacios cerrados cerca de máquinas alimentadas por grandes motores eléctricos que irradian mucho calor, la temperatura ambiente puede aumentar aún más. En estas situaciones, los fabricantes de chips recomiendan la reducción de potencia (es decir, limitar la potencia de salida del dispositivo para reducir la disipación de potencia y, a su vez, la T_j). Por ejemplo, considere el segundo convertidor de CC/CC detallado anteriormente; un aumento de la temperatura a 110 °C dejaría solo alrededor de 38 °C de sobrecarga de temperatura, que es menos de lo recomendado para prolongar la vida útil del producto. La Figura 7 muestra la curva de reducción térmica del RxxC05TExxS RECOM Power.

Figura 7: curva de reducción térmica del convertidor de CC/CC RxxC05TExxS RECOM Power. El fabricante recomienda disminuir la potencia de salida por encima de T_a = 104 °C para evitar daños a largo plazo en el componente. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Conclusión:

La alimentación de sensores IIoT inalámbricos de baja potencia para aplicaciones, como el monitoreo del estado de la máquina, es una tarea considerable, ya que el entorno operativo es caliente y sucio. Los dispositivos de monitoreo sensibles deben alimentarse con un voltaje de CC constante y limpio, y estar protegidos contra las sobretensiones comunes a los equipos industriales. Además, el espacio suele ser escaso y hay que mantener los costos bajos.

Una nueva generación de convertidores de CC/CC aislados ayuda ahora a los diseñadores a superar estos desafíos. Las soluciones compactas de montaje en superficie permiten un montaje sencillo y ofrecen la alta densidad de energía, el ahorro de espacio, la durabilidad y la eficacia exigidas. Además, las nuevas técnicas de empaquetado y fabricación han reducido la impedancia térmica, lo que permite que los dispositivos funcionen en entornos cerrados de alta temperatura sin necesidad disipadores térmicos costosos y voluminosos.