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

本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)人員在為狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的電池供電型 IIoT 傳感器構(gòu)建電源時(shí)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(duì)這些挑戰(zhàn)的同時(shí)，避免使用昂貴且笨重的散熱器。

什么是狀態(tài)監(jiān)測(cè)？

狀態(tài)監(jiān)測(cè)克服了大型、復(fù)雜機(jī)械和工藝中存在的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃問(wèn)題。這項(xiàng)技術(shù)依賴于對(duì)機(jī)器部件狀態(tài)的了解，以便在故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行維修或更換。例如，通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)電機(jī)的振動(dòng)特征，軟件可以確定軸承的磨損狀態(tài)，并推斷出按當(dāng)前的磨損速度何時(shí)會(huì)導(dǎo)致故障。工程師可利用這類信息延長(zhǎng)服務(wù)間隔，同時(shí)避免計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間（圖 1）。

圖 1：如果不進(jìn)行維護(hù)，復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程和機(jī)器最終會(huì)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致更長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。即使經(jīng)過(guò)修理，磨損的設(shè)備也會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)重復(fù)故障（下圖）。預(yù)防性維護(hù)方案可計(jì)劃頻繁的服務(wù)間隔，以確保工藝過(guò)程和機(jī)器能夠長(zhǎng)期運(yùn)行，而且機(jī)器不會(huì)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(cè)可以延長(zhǎng)服務(wù)周期，在消除故障風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)降低維護(hù)成本（上圖）。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

IIoT 傳感器是狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的理想選擇。這些外形緊湊的器件可按機(jī)械方式連接到已知的機(jī)器或工藝故障點(diǎn)附近，以提高測(cè)量精度。通過(guò)無(wú)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(jì)面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。典型的應(yīng)用環(huán)境非常臟，可能有大量振動(dòng)，溫度可能很高，危險(xiǎn)電壓隨處可見。空間往往非常珍貴，而且敏感的電子器件需要持續(xù)、無(wú)干擾且精準(zhǔn)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(dá) 1 瓦的功率，同時(shí)僅占用極少的印刷電路板空間。

堅(jiān)固的商用 IIoT 傳感器電源

封裝技術(shù)的進(jìn)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?yàn)?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(jì)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(lái)源：RECOM Power）

由于采用標(biāo)準(zhǔn)的 SOIC-16 封裝，因此可使用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)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(fù)載的位置，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并縮小設(shè)計(jì)尺寸。

低成本的 RECOM Power DC/DC 轉(zhuǎn)換器可從 4.5 到 5.5 伏標(biāo)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(guò) 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(guò)流和過(guò)溫保護(hù)，在 IIoT 應(yīng)用中具有高可靠性。

0.5 瓦版本可以在高達(dá) 100°C 的環(huán)境溫度下無(wú)降額運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)（信息技術(shù)設(shè)備，一般安全要求）。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器沒(méi)有最低負(fù)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(zhǎng)持續(xù) 60 秒 (s)。在再次進(jìn)入峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持續(xù)時(shí)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(zhǎng)持續(xù) 60 秒。在再次到達(dá)峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持續(xù)時(shí)間的恢復(fù)期。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

滿足隔離需求

每當(dāng)重型機(jī)械啟動(dòng)或停止時(shí)，IIoT 節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境就會(huì)出現(xiàn)高電涌。為了安全起見以及保護(hù)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(gè)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(cè)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(lái)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(jì)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(shí)保持功率輸出。

對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，提高能量密度的關(guān)鍵在于提升芯片的能效和/或增強(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)器件中脫穎而出，憑借的關(guān)鍵特性是，在 20% 到滿輸出負(fù)載范圍內(nèi)具有相對(duì)平坦的能效曲線（圖 5）。而同類競(jìng)爭(zhēng)器件在低、中輸出負(fù)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(fù)載百分比關(guān)系圖。隔離式開關(guān)轉(zhuǎn)換器在廣泛的負(fù)載范圍內(nèi)提供了良好的能效。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

元器件的最大結(jié)溫 (Tjmax) （在硅芯片的頂面中心測(cè)量）通常在規(guī)格書中詳細(xì)說(shuō)明。只要器件不超過(guò)此限值，制造商就能保證器件的性能。超過(guò)此溫度工作會(huì)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(duì)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(huì)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(shí)驗(yàn)室外很難測(cè)量，通常未包括在規(guī)格書中。θja 是 Ψjt 一個(gè)不錯(cuò)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(biāo)，其測(cè)量過(guò)程更為簡(jiǎn)單。Rθja 的單位是攝氏度（或開爾文 (K)）每瓦 (°C/W)。Tj 可通過(guò)以下公式進(jìn)行估算：

元器件設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是最小化內(nèi)部熱阻抗，并最大化傳導(dǎo)和對(duì)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(duì)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(lái)源：RECOM Power）

IIoT 傳感器經(jīng)常在幾乎沒(méi)有通風(fēng)的封閉環(huán)境中運(yùn)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(huì)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(gè)具有擴(kuò)展溫度范圍的器件。有許多商用 DC/DC 穩(wěn)壓器的 Tjmax 高達(dá) 125°C，還有一些，如 RECOM Power 的解決方案，更是將其擴(kuò)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(jì)者應(yīng)考慮選擇具有最低熱阻抗的器件。

考慮另一個(gè)依據(jù)下列標(biāo)準(zhǔn)選擇的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器示例：

此選項(xiàng)提供了相當(dāng)大的溫度開銷，有助于延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

RECOM Power 的 RxxCTExx 系列采用三維電源封裝 (3DPP) 來(lái)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(lái)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(fù)載供電，還可避免主動(dòng)式冷卻方法或大型無(wú)源散熱片帶來(lái)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(jī)供電且輻射大量熱量的機(jī)器時(shí)，環(huán)境溫度會(huì)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(jìn)而降低 Tj）。例如，考慮以上詳述的第二個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器；當(dāng)溫度上升到 110°C 時(shí)，只留下約 38°C 的溫度開銷，低于延長(zhǎng)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(duì)元器件造成長(zhǎng)期損害。（圖片來(lái)源：RECOM Power）

結(jié)語(yǔ)

為機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中的低功耗無(wú)線 IIoT 傳感器供電，是一項(xiàng)相當(dāng)有挑戰(zhàn)的任務(wù)，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鳝h(huán)境不僅熱而且臟。敏感的監(jiān)測(cè)器件必須獲得穩(wěn)定、無(wú)干擾的直流電壓并受到保護(hù)，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(jì)人員應(yīng)對(duì)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。