Como selecionar e usar um conversor CC/CC isolado para um sensor IoT industrial

A alimentação de sensores sem fio da Internet Industrial das Coisas (IIoT) para aplicações como o monitoramento de estado de máquinas é um desafio. Os sensores devem ser compactos, robustos, fáceis de implantar e baratos, mas devem trabalhar de forma confiável por longos períodos com pouca ou nenhuma manutenção. As consequências das falhas nos sensores variam, desde a perda de dados vitais sobre o estado da máquina até reparos caros e falhas catastróficas do sistema ou da linha de produção.

Este artigo detalha os desafios que os projetistas enfrentam ao construir fontes de alimentação para sensores IIoT alimentados por bateria para aplicações de monitoramento de estado. Em seguida, descreve como os conversores CC/CC isolados de alta densidade de energia da RECOM Power podem ser usados como base para fontes de alimentação que atendem a esses desafios, sem recorrer a dissipadores de calor caros e volumosos.

O que é monitoramento de estado?

O monitoramento de estado supera os problemas de cronogramas de manutenção preventiva para máquinas e processos grandes e complexos. A técnica depende do conhecimento do status de um componente da máquina, de modo que ele possa ser reparado ou substituído bem antes que ocorra a falha. Por exemplo, ao monitorar constantemente a assinatura de vibração de um motor, o software pode determinar o estado de desgaste de um rolamento e extrapolar para determinar quando a taxa de desgaste atual causaria uma quebra. Tais informações permitem que os engenheiros ampliem os intervalos de manutenção, ao mesmo tempo em que evitam paradas não planejadas (Figura 1).

Figura 1: Sem manutenção, máquinas e processos industriais complexos acabam falhando, resultando em tempos de parada prolongados. Mesmo após o reparo, falhas repetidas de equipamentos desgastados continuam a ocorrer (inferior). Os esquemas de manutenção preventiva programam intervalos de manutenção frequentes para garantir que os processos e máquinas funcionem por longos períodos e que as máquinas não se desgastam, mas demandam muitos recursos (meio). O monitoramento de estado permite intervalos de serviço prolongados sem risco de falha, ao mesmo tempo em que reduz os custos de manutenção (superior). (Fonte da imagem: RECOM Power)

Os sensores IIoT são uma boa opção para aplicações de monitoramento de estado. Esses dispositivos compactos podem ser fixados mecanicamente perto dos pontos conhecidos de falha da máquina ou do processo para melhorar a precisão da medição. A conectividade sem fio permite atualizações regulares do estado sem a necessidade de fiações caras de comunicação.

O desafio do projeto de fontes de alimentação para os sensores IIoT é grande. O ambiente típico de aplicação é sujo, pode haver muita vibração, as temperaturas podem ser muito altas e as tensões perigosas são comuns. O espaço muitas vezes é um problema, e a eletrônica sensível exige uma tensão CC contínua, limpa e precisamente regulada.

Uma nova geração de conversores CC/CC isolados, como a série RxxCTExx da RECOM Power oferece uma solução. Esses dispositivos compactos fornecem a alta densidade de energia, tamanho compacto, durabilidade e eficiência necessários para aplicações de sensores IIoT. Os conversores são fornecidos em invólucros de montagem em superfície, capazes de fornecer até 1 watt e ocupando o mínimo de espaço na placa de circuito impresso.

Fontes de alimentação comerciais robustas para sensores IIoT

Os avanços nos invólucros, como a incorporação de elementos de potência e controle na mesma peça de silício e o emprego de transformadores de baixo perfil, permitem aos fabricantes oferecer conversores CC/CC isolados de alta especificação para aplicações de sensores IIoT. Os conversores CC/CC da RECOM Power, por exemplo, utilizam elementos de projeto como transformadores do tipo planar para diminuir a altura do chip para menos de três milímetros (mm) (Figura 2).

Figura 2: A série RxxCTExx da RECOM é fornecida em invólucros SOIC-16 compactos de montagem em superfície com um perfil inferior a 3 mm. (Fonte da imagem: RECOM Power)

O uso de invólucros SOIC-16 padrão permite o manuseio e a montagem usando equipamento automatizado. Finalmente, o tamanho compacto dos chips permite que a regulagem da alimentação seja colocada muito mais perto da carga, simplificando e reduzindo o projeto.

Os conversores CC/CC de baixo custo da RECOM Power fornecem 0,5 (R05C05TE05S-CT) ou 1 watt (R05CTE05S-CT) com saída de 5 volts (a ondulação da tensão de saída é de, no máximo, 50 milivolts p-p (mV_p-p)) de uma entrada nominal de 4,5 a 5,5 volts. A tensão de saída dos conversores é compatível com as populares famílias de sensores ativos e os front-ends de microcontroladores ou DSPs comumente usados para análise de dados. O dispositivo R05C05TE05S-CT de 0,5 watt tem uma corrente de entrada de 240 miliamperes (mA), enquanto a versão R05CTE05S-CT de 1 watt tem uma corrente de entrada de 370 mA. Os conversores são equipados com proteção contra curto-circuito, sobrecorrente e sobretemperatura para alta confiabilidade em aplicações IIoT.

A versão de 0,5 watt pode operar em temperaturas ambientes de até 100 °C sem degradação, enquanto o produto de 1 watt pode ser usado até 72 °C. Ambos os dispositivos estão em conformidade com a IEC 62368-1 (Equipamento de Tecnologia da Informação, Requisitos Gerais de Segurança).

Os conversores CC/CC não exigem carga mínima, o que os torna adequados para aplicações que muitas vezes mudam para modos de operação de consumo muito baixos para economizar energia. Esse é um modo de operação comum para os sensores IIoT. O R05C05TE05S-CT pode gerar 0,6 watts (com uma corrente de entrada que chega a 255 mA) por até 60 segundos (s). É necessário um período de recuperação de três vezes a duração do pico de potência antes de poder ser alcançado novamente (Figura 3).

Figura 3: O conversor CC/CC RECOM Power R05C05TE05S-CT de 0,5 watt pode fornecer uma potência de pico de saída de 0,6 watts por até 60 s. É necessário um período de recuperação de três vezes a duração do pico de potência até que o pico de potência possa ser consumido novamente. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Atendendo às demandas de isolação

O ambiente ao redor do nó IIoT está sujeito a altos surtos de energia sempre que o maquinário pesado é iniciado ou parado. Por razões de segurança e para proteger a eletrônica frágil, as fontes de alimentação CC do sensor exigem isolação da alimentação da rede.

Os conversores CC/CC RECOM Power utilizam um transformador interno para isolar a saída da entrada. Os dispositivos apresentam uma tensão de isolação CC de 3 kV (dimensionada para 60 s) e são testados por 1 s até uma tensão de isolação CC máxima de 3,6 kV. A resistência de isolação (500 volts CC, 25 °C) é de 50 giga ohms (GΩ) e a folga externa é >8 mm. A Figura 4 mostra um circuito de aplicação para o conversor CC/CC isolado.

Figura 4: Circuito de aplicação do conversor CC/CC isolado RECOM Power RxxC05TExxS. (Fonte da imagem: RECOM Power)

A importância do gerenciamento térmico

A densidade de energia de um conversor CC/CC é medida em watts por centímetro cúbico (W/cm³). Uma maior densidade de potência permite ao projetista aumentar a potência disponível para a aplicação sem usar um componente maior ou manter a potência de saída enquanto diminui as dimensões gerais do produto.

Para o fornecedor do conversor CC/CC, o segredo para oferecer alta densidade de energia é reforçar a eficiência do chip e/ou melhorar seu desempenho térmico — permitindo o uso de um invólucro menor e uma temperatura operacional máxima mais alta.

Os conversores CC/CC RECOM Power oferecem boa eficiência para dispositivos de chaveamento baratos, isolados e semi-regulados. Uma característica importante que os distingue dos dispositivos da concorrência é que a curva de eficiência é relativamente plana em toda a faixa de carga de saída, entre 20% e a carga máxima (Figura 5). Os dispositivos da concorrência frequentemente apresentam baixa eficiência em cargas de saída baixas e médias.

Figura 5: É mostrado um gráfico de eficiência versus porcentagem da carga de saída para o R05C05TE05S-CT. Os conversores de chaveamento isolados proporcionam uma boa eficiência em uma ampla faixa de carga. (Fonte da imagem: RECOM Power)

A temperatura máxima de junção (T_jmax) de um componente (medida na parte superior central da matriz de silício) é tipicamente detalhada na ficha técnica. Desde que o dispositivo não ultrapasse esse limite, o fabricante garante o desempenho. O funcionamento acima dessa temperatura pode alterar a condutância do semicondutor de tal forma que ele não mais funcione como pretendido e pode até mesmo causar danos permanentes.

O T_j para um dispositivo fixo de dissipação de potência, como um regulador CC/CC, depende em grande parte da resistência térmica interna multipercurso (Ψ_jt) e da eficácia da transferência de calor para o ambiente imediato. Ψ_jt considera todos os meios pelos quais o calor pode escapar do componente, inclusive no fundo do chip pela placa de circuito impresso. Esse parâmetro é difícil de medir fora do laboratório, e muitas vezes não é incluído na ficha técnica. Um bom substituto para Ψ_jt é θ_ja; este é uma medida da impedância térmica (R_θja) de um único caminho de calor, da matriz de silício diretamente para o ambiente, o que é mais simples de medir. As unidades de R_θja são graus centígrados (ou Kelvin (K)) por W (°C/W). O T_j pode ser estimado a partir da equação:

Os projetistas de componentes têm como objetivo minimizar a impedância térmica interna e maximizar a transferência de calor condutiva e convectiva para manter as temperaturas dos componentes baixas e fornecer uma "sobrecarga" satisfatória entre T_j e T_jmax (Figura 6).

Figura 6: Os fabricantes de componentes especificam uma temperatura máxima de junção (T_jmax) para um dispositivo ativo a fim de garantir o funcionamento adequado. Para uma determinada dissipação de potência, o Tj é determinado em grande parte pela impedância térmica total do componente e pela temperatura ambiente (T_a). (Fonte da imagem: RECOM Power)

Os sensores IIoT frequentemente trabalham em ambientes confinados com pouca ventilação. Isso pode causar o aumento da temperatura ambiente, que pode facilmente aproximar-se dos 70 °C em ambientes industriais. Esse alto T_a afeta a sobrecarga de temperatura do componente.

Considere o seguinte exemplo para um conversor CC/CC típico:

Sem acrescentar custo e volume pelo uso de um dissipador de calor, esse dispositivo seria inadequado para a aplicação devido à sobrecarga de temperatura muito limitada.

Uma solução melhor seria selecionar um dispositivo com uma faixa de temperatura estendida. Há muitos reguladores CC/CC comerciais que oferecem um T_jmax de 125 °C, e alguns, como a solução da RECOM Power, que estendem isso até 150 °C. Em segundo lugar, as tensões de entrada e de saída poderiam ser mais bem ajustadas (o que aumenta a eficiência de um regulador linear e, portanto, diminui a dissipação de potência). E terceiro, o projetista deve selecionar o dispositivo com a menor impedância térmica.

Considere um segundo exemplo para um conversor CC/CC selecionado com esses critérios em mente:

Essa opção oferece uma considerável sobrecarga de temperatura que ajuda a prolongar a vida útil do produto.

A série RxxCTExx da RECOM Power emprega invólucros de potência 3D (3DPP) para diminuir a impedância térmica. O 3DPP aproveita a otimização de materiais, técnicas de fabricação e uma variedade de métodos de transferência de calor da junção para o ambiente, tais como flip-chip-on-lead (FCOL), CIs incorporados e vias térmicas para diminuir a impedância térmica. Essas técnicas permitem a fabricação de conversores CC/CC tamanho SOIC-16 que podem alimentar cargas elevadas sem a complicação e os custos dos métodos de resfriamento ativo ou de grandes dissipadores de calor passivos. Os produtos RxxC05TExxS têm um R_θja de 63,8 °C/W, em comparação com cerca de 90 °C/W para produtos convencionais.

Em certas circunstâncias, como em espaços fechados próximos a máquinas acionadas por grandes motores elétricos que irradiam muito calor, a temperatura ambiente pode subir ainda mais. Nessas situações, os fabricantes de chips recomendam a degradação (ou seja, a limitação da potência de saída do dispositivo para diminuir a dissipação de potência e, por sua vez, o T_j). Por exemplo, considere o segundo conversor CC/CC detalhado acima; um aumento da temperatura para 110 °C deixaria apenas cerca de 38 °C de sobrecarga de temperatura, o que é menos do que o recomendado para prolongar a vida útil do produto. A Figura 7 mostra a curva de degradação térmica para o RxxC05TExxS da RECOM Power.

Figura 7: Curva de degradação térmica para o conversor CC/CC RxxC05TExxS RECOM Power. O fabricante recomenda a diminuição da potência de saída acima de T_a = 104°C para evitar danos a longo prazo ao componente. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Conclusão

Alimentar sensores IIoT sem fio de baixa potência para aplicações, tais como monitoramento de estado de máquinas, é uma tarefa considerável, pois o ambiente operacional é quente e sujo. Os dispositivos de monitoramento sensíveis devem ser alimentados com uma tensão CC estável e limpa e ser protegidos contra os surtos de alta tensão comuns aos equipamentos industriais. Além disso, o espaço é tipicamente um problema e os custos precisam ser mantidos baixos.

Uma nova geração de conversores CC/CC isolados agora ajuda os projetistas a enfrentar esses desafios. Soluções compactas de montagem em superfície permitem uma fácil montagem e oferecem a alta densidade de energia, economia de espaço, durabilidade e eficácia exigidas. Além disso, novas técnicas de encapsulamento e fabricação diminuíram a impedância térmica, permitindo que os dispositivos operem em ambientes fechados, de alta temperatura, sem a necessidade de dissipadores de calor caros e volumosos.