如何為工業 IoT 感測器選擇並使用隔離型 DC/DC 轉換器

在機器狀況監測等應用中，為無線工業物聯網 (IIoT) 感測器供電十分困難。感測器必須精巧、堅固耐用、易於部署且價格低廉，還須長期可靠地運作，而且只需少許或完全無需維護。感測器故障的影響範圍，從遺失有關機器狀況的重要資料、昂貴的維修費用，到系統或生產線的重大失效都有。

本文將詳細說明設計人員在針對狀況監測應用，為電池供電型 IIoT 感測器打造電源供應器時，所面臨的一些挑戰。然後會介紹 RECOM Power 的高能量密度隔離型 DC/DC 轉換器，能如何用作電源供應器的基礎以因應這些挑戰，而無需使用昂貴且龐大的散熱器。

什麼是狀況監測？

狀況監測克服了為大型複雜機器和製程安排預防性維護的問題。此種技術需要瞭解機器元件的狀態，以便在發生故障前進行維修或更換。例如，持續監測馬達的振動特徵，軟體便可以確定軸承的磨損狀態，並推斷出在當前的磨損率下，何時會出現故障。工程師得到此類資訊後，即能延長維修間隔時間，同時避免意外停機 (圖 1)。

圖 1：若不進行維護的話，複雜的工業製程和機器最終會發生故障，導致停機時間延長。即使經過修理後，已磨損的設備仍會繼續發生重複性故障 (下)。在預防性維護方案中，應安排頻繁的維修間隔，確保製程和機器能長時間運轉，機器不會磨耗，但這會高度耗用資源 (中)。若進行狀況監測，可延長維修間隔時間，既可避免出現故障的風險，又能減少維護成本 (上)。(圖片來源：RECOM Power)

IIoT 感測器是狀況監測應用的絕佳選擇。這些小型元件能以機械方式連接至已知的機器或製程故障點附近，提高量測精準度。無線連線能力能夠實現定期的狀況更新，無需進行昂貴的通訊接線作業。

在設計 IIoT 感測器的電源供應器時，所面臨的挑戰非常艱鉅。典型的應用環境很髒亂，可能有很多振動，溫度可能非常高，而且危險電壓也很常見。空間通常非常有限，敏感的電子元件需要持續、乾淨且精準調節的 DC 電壓。

新一代隔離型 DC/DC 轉換器提供了一種解決方案，例如 RECOM Power 的 RxxCTExx 系列。這些小型元件符合 IIoT 感測器應用所需的高能量密度、小尺寸、耐用性和效率等特性。轉換器是隨附於表面黏著封裝內供應，能夠提供高達 1 W 的功率，卻僅佔用電路板上最小的空間。

耐用的商用 IIoT 感測器電源供應器

封裝技術的進步，包括在同一塊矽晶上加入電源和控制元件，以及採用薄型變壓器，這些能讓製造商為 IIoT 感測器應用，提供高規格的隔離型 DC/DC 轉換器。例如，RECOM Power 的 DC/DC 轉換器使用平面型變壓器等設計元素，將晶片高度降低至 3 mm 以內 (圖 2)。

圖 2：RECOM 的 RxxCTExx 系列是隨附在小型表面黏著 SOIC-16 封裝內供應，其高度小於 3 mm。(圖片來源：RECOM Power)

採用標準的 SOIC-16 封裝，便能使用自動化設備進行處理和組裝。最後，晶片的尺寸小，因此能夠在更接近負載的位置實現功率調節，簡化並縮小了設計。

RECOM Power 的 DC/DC 轉換器成本低，可以在 4.5 至 5.5 V 的標稱輸入和 5 V 輸出下，提供 0.5 W (R05C05TE05S-CT) 或 1 W (R05CTE05S-CT) 的功率，其中輸出電壓漣波最大為 50 mV_p-p。轉換器的輸出電壓可相容於常見的主動式感測器系列，以及通常用於資料分析的微控制器或 DSP 前端。R05C05TE05S-CT 0.5 W 元件的輸入電流為 240 mA，而 R05CTE05S-CT 1 W 型號的輸入電流則為 370 mA。轉換器配備短路、過電流和過熱保護，在 IIoT 應用中具有高度的可靠性。

0.5 W 型號可在最高 100°C 的環境溫度下運作，且無需降額，而 1 W 產品則可在最高 72°C 的溫度下使用。兩種元件均符合 IEC 62368-1 標準 (資訊技術設備 – 安全性的一般要求)。

DC/DC 轉換器沒有最小負載要求，因此適用於經常會切換至極輕負載運作模式的應用，藉以節省能源。這是 IIoT 感測器常見的運作模式。R05C05TE05S-CT 可輸出 0.6 W 的功率 (輸入電流上升至 255 mA)，持續多達 60 s。再次達到峰值功率之前，需要經過峰值功率持續時間三倍的恢復期 (圖 3)。

圖 3：RECOM Power 的 R05C05TE05S-CT 0.5 W 型 DC/DC 轉換器可提供 0.6 W 峰值輸出功率，持續多達 60 s。再次達到峰值功率之前，需要經過峰值功率持續時間三倍的恢復期。(圖片來源：RECOM Power)

符合隔離要求

每當重型機械啟動或停止時，IIoT 節點周圍的環境都會受到高功率突波的影響。鑒於安全理由和保護脆弱的電子元件，感測器的 DC 電源供應器需要與主電源供應器隔離。

RECOM Power 的 DC/DC 轉換器使用內部變壓器，以將輸出與輸入隔離。這些元件具備 3 kV DC 隔離電壓 (額定為 60 s)，且經過測試，可在 1 s 內達到 3.6 kV DC 的最大隔離電壓。絕緣電阻值 (500 VDC，25°C) 為 50 GΩ，外部間隙大於 8 mm。圖 4 顯示了隔離型 DC/DC 轉換器的應用電路。

圖 4：RECOM Power 的 RxxC05TExxS 隔離型 DC/DC 轉換器的應用電路。(圖片來源：RECOM Power)

熱管理的重要性

DC/DC 轉換器的能量密度以 W/cm³ 為測量單位。透過更高的功率密度，設計人員可以在不增大元件尺寸下，增加應用可用的功率，或者在產品整體尺寸縮小時，保持功率輸出。

對於 DC/DC 轉換器供應商而言，提供高能量密度的關鍵是提高晶片的效率和／或增強其散熱效能，進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 轉換器為低成本的隔離型半穩壓切換式元件，提供良好的效率。一個從競爭元件中脫穎而出的關鍵特性是：在 20% 至全輸出負載範圍內，有相對平整的效率曲線 (圖 5)。其他競爭元件通常在低輸出和中度輸出負載下的效率不佳。

圖 5：此處展示 R05C05TE05S-CT 的效率與輸出負載百分比的圖表。隔離型切換式轉換器可在各種負載範圍內提供良好的效率。(圖片來源：RECOM Power)

元件的最大接面溫度 (T_jmax) (在矽晶粒中心頂部的測量值)，通常會在規格書中詳細介紹。如果元件不超過此限制，製造商能保證效能。超過此溫度時，操作會改變半導體的電導，使其不再按預期的設計運作，甚至會造成永久性損壞。

對於 DC/DC 穩壓器等固定功率耗散元件，T_j 多半取決於內部多重路徑熱阻 (Ψ_jt)，以及向緊鄰環境傳遞熱量的有效性。Ψ_jt 會考量熱量從元件中逸出的所有方式，包括透過電路板之晶片的底部。此參數很難在實驗室以外測量到，而且通常不包括在規格書中。θ_ja 是 Ψ_jt 一個不錯的替代參數；此值是矽晶粒直接連到周圍環境之單一散熱路徑的熱阻抗值 (R_θja)，易於測量。R_θja 的單位是 °C/W 或 K/W。T_j 可以由以下公式估算而得：

元件設計人員的目標是將內部熱阻抗值減至最少，並將傳導和對流熱傳遞提升至最大，以此降低元件溫度，並在 T_j 和 T_jmax 之間提供令人滿意的「開銷」(圖 6)。

圖 6：元件製造商指定主動元件的最大接面溫度 (T_jmax)，確保正確運作。在給定的功率耗散下，Tj 多半取決於元件的總熱阻抗值和環境溫度 (T_a)。(圖片來源：RECOM Power)

IIoT 感測器通常是在通風不佳的封閉環境中運作。這可能會導致環境溫度升高，且在工業環境中可以輕易上升至 70°C。這個高 T_a 值會影響元件的溫度開銷。

請考量以下典型 DC/DC 轉換器的範例：

透過使用散熱器而不增加成本和體積下，由於溫度開銷有限，此元件將不會適合於此應用。

比較好的解決方案是選擇溫度範圍較廣的元件。許多商用 DC/DC 穩壓器提供 125°C 的 T_jmax，還有一些元件 (如 RECOM Power 的解決方案) 可將此值提升至 150°C。其次，輸入和輸出電壓可以更緊密匹配，這會提高線性穩壓器的效率並進而減少功率耗散。第三，設計人員應該著眼於選擇熱阻抗值最低的元件。

請考量根據這些標準選擇 DC/DC 轉換器的第二個範例：

此選項提供相當高的溫度開銷，有助於延長產品壽命。

RECOM Power 的 RxxCTExx 系列採用 3D Power 封裝 (3DPP)，降低了熱阻抗值。3DPP 利用材料最佳化、製造技術，以及各種接面到環境的熱傳遞方式來降低熱阻抗值，此類方式如覆晶引腳 (FCOL)、嵌入式 IC 和散熱通孔。這些技術可以用來製造 SOIC-16 尺寸的 DC/DC 轉換器，此種轉換器可以為高負載供電，卻沒有主動散熱法或大型被動散熱器所帶來的複雜性和高成本。RxxC05TExxS 產品的 R_θja 為 63.8°C/W，而傳統產品則約為 90°C/W。

在某些情況下，例如在封閉空間，靠近由大型電動馬達驅動且會大量發熱的機器時，環境溫度可能會提升得更高。在這些情況下，晶片製造商會建議採用降額 (即限制元件的輸出功率以降低功率耗散，進而降低 T_j)。例如，考量上面詳述的第二個 DC/DC 轉換器；當溫度上升至 110°C 時，溫度開銷只有 38°C 左右，低於延長產品壽命的建議值。圖 7 顯示 RECOM Power 的 RxxC05TExxS 熱降額曲線。

圖 7：RECOM Power 的 RxxC05TExxS DC/DC 轉換器熱降額曲線。製造商建議在 T_a = 104°C 以上降低輸出功率，避免對元件造成長期損壞。(圖片來源：RECOM Power)

結論

在機器狀況監測等應用中，為低功率無線 IIoT 感測器供電是一項艱鉅的任務，因為其所處的工作環境又熱又髒。靈敏的監測元件必須以穩定、乾淨的 DC 電壓進行供電，還必須防止工業設備常見的高電壓突波。此外，空間通常也非常寶貴，還需要降低成本。

現在，新一代的隔離型 DC/DC 轉換器可以幫助設計人員因應這些挑戰。小型表面黏著解決方案讓組裝變得輕鬆，還能提供所需的高能量密度、耐用性與效率，並節省空間。此外，新型封裝和製造技術降低熱阻抗值，使元件可以在封閉的高溫環境中運作，卻無需使用昂貴且龐大的散熱片。