Comment choisir et utiliser un convertisseur CC/CC isolé pour un capteur IoT industriel

L'alimentation des capteurs sans fil de l'Internet industriel des objets (IIoT) pour des applications comme la surveillance de l'état des machines est un défi. Les capteurs doivent être compacts, robustes, faciles à déployer et peu coûteux, tout en fonctionnant de manière fiable pendant de longues périodes avec peu ou pas de maintenance. Les conséquences de la défaillance d'un capteur vont de l'absence de données vitales sur l'état de la machine à des réparations coûteuses, en passant par une panne catastrophique du système ou de la ligne de production.

Cet article détaille les défis auxquels les concepteurs sont confrontés lors de la construction d'alimentations pour les capteurs IIoT alimentés par batterie pour les applications de surveillance d'état. Il décrit ensuite la manière dont les convertisseurs CC/CC isolés à haute densité d'énergie de RECOM Power peuvent être utilisés comme base pour des alimentations qui relèvent ces défis, sans recourir à des dissipateurs thermiques coûteux et encombrants.

Qu'est-ce que la surveillance d'état ?

La surveillance d'état permet de résoudre les problèmes liés aux programmes de maintenance préventive pour les machines et les processus complexes et de grande taille. Cette technique repose sur la connaissance du statut d'un composant de la machine, de manière à pouvoir l'entretenir ou le remplacer bien avant qu'il ne tombe en panne. Par exemple, en surveillant constamment la signature vibratoire d'un moteur, le logiciel peut déterminer l'état d'usure d'un roulement et extrapoler pour déterminer le moment où le taux d'usure actuel entraînera un claquage. Ces informations permettent aux ingénieurs de prolonger les intervalles entre les entretiens tout en évitant les temps d'arrêt non planifiés (Figure 1).

Figure 1 : Sans maintenance, les machines et les processus industriels complexes finissent par tomber en panne, ce qui entraîne des temps d'arrêt prolongés. Même après réparation, des défaillances répétées des équipements usés continuent de se produire (en bas). Les programmes de maintenance préventive prévoient des entretiens fréquents afin de garantir que les processus et les machines fonctionnent longtemps, et que les machines ne s'usent pas, mais ils nécessitent des ressources importantes (au milieu). La surveillance de l'état permet d'allonger les intervalles entre les entretiens sans risque de défaillance, tout en réduisant les coûts de maintenance (en haut). (Source de l'image : RECOM Power)

Les capteurs IIoT constituent une bonne option pour les applications de surveillance de l'état. Ces dispositifs compacts peuvent être fixés mécaniquement à proximité des points de défaillance connus des machines ou des processus afin d'améliorer la précision des mesures. La connectivité sans fil permet des mises à jour régulières de l'état sans nécessiter de câblage de communication coûteux.

Le défi de conception de l'alimentation pour les capteurs IIoT est difficile. L'environnement d'application typique est sale, il peut y avoir beaucoup de vibrations, les températures peuvent être très élevées et les tensions dangereuses sont courantes. L'espace est souvent limité et les composants électroniques sensibles nécessitent une tension CC continue, nette et régulée avec précision.

Une nouvelle génération de convertisseurs CC/CC isolés comme la série RxxCTExx de RECOM Power fournit une solution. Ces dispositifs compacts offrent la haute densité d'énergie, la taille compacte, la durabilité et le rendement nécessaires aux applications de capteurs IIoT. Ces convertisseurs sont proposés dans des boîtiers à montage en surface capables de fournir jusqu'à 1 watt tout en occupant un espace minimal sur la carte à circuit imprimé.

Alimentations commerciales robustes pour capteurs IIoT

Les progrès liés au boîtier, comme l'intégration des éléments de puissance et de contrôle sur le même composant au silicium et l'utilisation de transformateurs extra-plats, permettent aux fabricants de proposer des convertisseurs CC/CC isolés à spécifications élevées pour les applications de capteurs IIoT. Par exemple, les convertisseurs CC/CC de RECOM Power utilisent des éléments de conception comme des transformateurs de type planar pour réduire la hauteur des puces à moins de trois millimètres (mm) (Figure 2).

Figure 2 : La série RxxCTExx de RECOM est fournie dans des boîtiers SOIC-16 compacts à montage en surface avec un profil inférieur à 3 mm. (Source de l'image : RECOM Power)

L'utilisation de boîtiers SOIC-16 standard permet la manipulation et l'assemblage à l'aide d'équipements automatisés. Enfin, la taille compacte des puces permet de placer la régulation de puissance beaucoup plus près de la charge, ce qui simplifie et réduit la conception.

Les convertisseurs CC/CC bon marché de RECOM Power fournissent 0,5 watt (R05C05TE05S-CT) ou 1 watt (R05CTE05S-CT) à une sortie de 5 volts (l'ondulation de la tension de sortie s'élève à 50 millivolts p-p [mV_p-p] maximum) à partir d'une entrée nominale de 4,5 à 5,5 volts. La tension de sortie des convertisseurs est compatible avec les gammes de capteurs actifs populaires et avec les circuits d'entrée de microcontrôleur ou DSP couramment utilisés pour l'analyse des données. Le dispositif R05C05TE05S-CT de 0,5 watt présente un courant d'entrée de 240 milliampères (mA), tandis que la version R05CTE05S-CT de 1 watt présente un courant d'entrée de 370 mA. Les convertisseurs sont équipés d'une protection contre les courts-circuits, la surintensité et la surchauffe pour une fiabilité élevée dans les applications IIoT.

La version de 0,5 watt peut fonctionner à des températures ambiantes allant jusqu'à 100°C sans détarage, tandis que le produit de 1 watt peut être utilisé jusqu'à 72°C. Les deux dispositifs sont conformes à la norme CEI 62368-1 (Équipements des technologies de l'information, Exigences de sécurité).

Les convertisseurs CC/CC n'ont aucune exigence de charge minimale, ce qui les rend adaptés aux applications qui passent souvent à des modes de fonctionnement à très faible charge pour conserver l'énergie. Il s'agit d'un mode de fonctionnement courant pour les capteurs IIoT. Le R05C05TE05S-CT peut produire 0,6 watt (avec un courant d'entrée jusqu'à 255 mA) pendant 60 secondes (s) maximum. Une période de récupération équivalente à trois fois la durée de la puissance de crête est nécessaire avant de pouvoir accéder à nouveau à la puissance de crête (Figure 3).

Figure 3 : Le convertisseur CC/CC de 0,5 watt R05C05TE05S-CT de RECOM Power peut fournir une puissance de sortie de crête de 0,6 watt pendant 60 s. Une période de récupération équivalente à trois fois la durée de la puissance de crête est nécessaire avant de pouvoir atteindre à nouveau la puissance de crête. (Source de l'image : RECOM Power)

Répondre aux demandes d'isolement

L'environnement autour du nœud IIoT est soumis à de fortes surtensions à chaque fois que des machines lourdes sont démarrées ou arrêtées. Pour des raisons de sécurité et pour protéger les composants électroniques fragiles, les alimentations CC du capteur doivent être isolées de l'alimentation principale.

Les convertisseurs CC/CC de RECOM Power utilisent un transformateur interne pour isoler la sortie de l'entrée. Les dispositifs présentent une tension d'isolement de 3 kV CC (nominale pendant 60 s) et sont testés pendant 1 s à une tension d'isolement maximale de 3,6 kV CC. La résistance d'isolement (500 volts CC, 25°C) est de 50 gigaohms (GΩ) et le dégagement externe est > 8 mm. La Figure 4 montre un circuit d'application pour le convertisseur CC/CC isolé.

Figure 4 : Circuit d'application pour le convertisseur CC/CC isolé RxxC05TExxS de RECOM Power. (Source de l'image : RECOM Power)

L'importance de la gestion thermique

La densité d'énergie d'un convertisseur CC/CC se mesure en watts par centimètre cube (W/cm³). Une densité de puissance plus élevée permet au concepteur d'augmenter la puissance disponible pour l'application sans utiliser de composant plus grand, ou de maintenir la puissance de sortie tout en réduisant les dimensions globales du produit.

Pour le fournisseur de convertisseurs CC/CC, la clé pour offrir une densité d'énergie élevée est d'augmenter le rendement de la puce et/ou d'améliorer ses performances thermiques, ce qui permet d'utiliser un boîtier plus petit et une température de fonctionnement maximale plus élevée.

Les convertisseurs CC/CC de RECOM Power offrent un bon rendement pour des dispositifs de commutation semi-régulés, isolés et peu coûteux. Une fonctionnalité clé les distingue des dispositifs concurrents : la courbe de rendement est relativement plate sur la plage de charge de sortie de 20 % à 100 % (pleine charge) (Figure 5). Les dispositifs concurrents présentent souvent un faible rendement à des charges de sortie faibles et moyennes.

Figure 5 : Graphique du rendement en fonction du pourcentage de charge de sortie pour le R05C05TE05S-CT. Les convertisseurs à découpage isolés offrent un bon rendement sur une vaste plage de charges. (Source de l'image : RECOM Power)

La température de jonction maximale (T_jmax) d'un composant (mesurée au centre sur le dessus de la puce en silicium) est généralement indiquée dans la fiche technique. Sous réserve que le dispositif ne dépasse pas cette limite, le fabricant garantit ses performances. Un fonctionnement au-dessus de cette température peut modifier la conductance du semi-conducteur de telle sorte qu'il ne fonctionne plus comme prévu et peut même provoquer des dommages permanents.

La valeur T_j pour un dispositif de dissipation de puissance fixe comme un régulateur CC/CC dépend largement de la résistance thermique interne à trajets multiples (Ψ_jt) et de l'efficacité du transfert de chaleur vers l'environnement immédiat. La valeur Ψ_jt prend en compte tous les moyens par lesquels la chaleur peut s'échapper du composant, notamment par le dessous de la puce via la carte à circuit imprimé. Ce paramètre est difficile à mesurer en dehors du laboratoire et n'est souvent pas inclus dans la fiche technique. Une bonne approximation de Ψ_jt est θ_ja. Il s'agit d'une mesure de l'impédance thermique (R_θja) d'un seul trajet thermique allant de la puce en silicium directement à l'environnement ambiant, ce qui est plus simple à mesurer. Les unités de R_θja sont les degrés centigrades (ou Kelvin [K]) par W (°C/W). La valeur T_j peut être estimée à partir de l'équation suivante :

Les concepteurs de composants s'efforcent de minimiser l'impédance thermique interne et de maximiser le transfert de chaleur par conduction et par convection afin de maintenir les températures des composants à un niveau bas et d'assurer une « marge » satisfaisante entre T_j et T_jmax (Figure 6).

Figure 6 : Les fabricants de composants spécifient une température de jonction maximale (T_jmax) pour un dispositif actif afin d'assurer son bon fonctionnement. Pour une dissipation de puissance donnée, la valeur T_j est largement déterminée par l'impédance thermique totale du composant et la température ambiante (T_a). (Source de l'image : RECOM Power)

Les capteurs IIoT fonctionnent souvent dans des environnements confinés et peu ventilés. Cela peut entraîner une augmentation de la température ambiante, qui peut facilement approcher les 70°C dans les environnements industriels. Cette T_a élevée a un impact sur la marge de température du composant.

Prenons l'exemple suivant pour un convertisseur CC/CC typique :

Sans ajouter de coûts et de volume supplémentaires par l'utilisation d'un dissipateur thermique, ce dispositif ne serait pas adapté à l'application en raison de la marge de température très limitée.

Une meilleure solution serait de choisir un dispositif avec une plage de températures étendue. Il existe de nombreux régulateurs CC/CC commerciaux qui offrent une valeur T_jmax de 125°C. Quelques-uns, comme la solution de RECOM Power, vont même jusqu'à 150°C. Deuxièmement, les tensions d'entrée et de sortie pourraient être plus proches (ce qui augmenterait le rendement d'un régulateur linéaire et réduirait donc la dissipation de puissance). Et troisièmement, le concepteur doit chercher à sélectionner le dispositif présentant l'impédance thermique la plus faible.

Prenons un deuxième exemple pour un convertisseur CC/CC sélectionné en tenant compte de ces critères :

Cette option offre une marge de température considérable, ce qui contribue à prolonger la durée de vie du produit.

La série RxxCTExx de RECOM Power utilise le boîtier de puissance 3D (3DPP) pour réduire l'impédance thermique. Le 3DPP tire parti de l'optimisation des matériaux, des techniques de fabrication et d'une variété de méthodes de transfert de chaleur de la jonction à l'air ambiant, comme la puce retournée sur grille de connexion (FCOL), les circuits intégrés et les traversées thermiques, pour réduire l'impédance thermique. Ces techniques permettent de fabriquer des convertisseurs CC/CC de taille SOIC-16 qui peuvent alimenter des charges élevées sans les complications et les coûts associés aux méthodes de refroidissement actif ou aux grands dissipateurs thermiques passifs. Les produits RxxC05TExxS ont une valeur R_θja de 63,8°C/W, contre environ 90°C/W pour les produits traditionnels.

Dans certaines circonstances, par exemple dans des espaces clos situés à proximité de machines actionnées par de gros moteurs électriques qui dégagent beaucoup de chaleur, la température ambiante peut augmenter encore plus. Dans ces situations, les fabricants de puces recommandent le détarage (c'est-à-dire la limitation de la puissance de sortie du dispositif pour réduire la dissipation de puissance et donc la valeur T_j). Par exemple, prenons le deuxième convertisseur CC/CC décrit ci-dessus : une augmentation de la température à 110°C ne laisserait qu'environ 38°C de marge, ce qui est inférieur à la valeur recommandée pour prolonger la durée de vie du produit. La Figure 7 montre la courbe de détarage thermique pour le RxxC05TExxS de RECOM Power.

Figure 7 : Courbe de détarage thermique pour le convertisseur CC/CC RxxC05TExxS de RECOM Power. Le fabricant recommande de réduire la puissance de sortie au-dessus de T_a = 104°C pour éviter d'endommager le composant à long terme. (Source de l'image : RECOM Power)

Conclusion

L'alimentation de capteurs IIoT sans fil basse consommation pour des applications comme la surveillance de l'état des machines est une tâche considérable, car l'environnement opérationnel est chaud et sale. Les dispositifs de surveillance sensibles doivent être alimentés par une tension CC stable et nette, et être protégés contre les surtensions courantes dans les équipements industriels. En outre, l'espace est généralement limité et les coûts doivent être réduits.

Une nouvelle génération de convertisseurs CC/CC isolés aide désormais les concepteurs à relever ces défis. Les solutions compactes à montage en surface permettent un assemblage facile et offrent la densité d'énergie élevée, le gain d'espace, la durabilité et l'efficacité exigés. En outre, de nouvelles techniques liées au boîtier et à la fabrication contribuent à réduire l'impédance thermique, ce qui permet aux dispositifs de fonctionner dans des environnements clos à haute température sans avoir besoin de dissipateurs thermiques coûteux et encombrants.