為機器狀態監測等應用中的無線工業物聯網 (IIoT) 傳感器供電，是一項富有挑戰性的任務。這些傳感器必須外形緊湊、堅固耐用、易于部署且價格低廉，但又能長期穩定地工作，極少或不需要維護。傳感器故障可能造成的影響包括錯過關于機器狀況的關鍵數據、昂貴的修理費用，以及災難性的系統或生產線故障。

本文詳細介紹了設計人員在為狀態監測應用中的電池供電型 IIoT 傳感器構建電源時所面臨的挑戰。然后介紹如何將 RECOM Power 高能量密度的隔離式 DC/DC 轉換器用作電源基礎，在應對這些挑戰的同時，避免使用昂貴且笨重的散熱器。

什么是狀態監測？

狀態監測克服了大型、復雜機械和工藝中存在的預防性維護計劃問題。這項技術依賴于對機器部件狀態的了解，以便在故障發生之前對其進行維修或更換。例如，通過不斷監測電機的振動特征，軟件可以確定軸承的磨損狀態，并推斷出按當前的磨損速度何時會導致故障。工程師可利用這類信息延長服務間隔，同時避免計劃外停機時間（圖 1）。

圖 1：如果不進行維護，復雜的工業過程和機器最終會出現故障，導致更長的停機時間。即使經過修理，磨損的設備也會繼續出現重復故障（下圖）。預防性維護方案可計劃頻繁的服務間隔，以確保工藝過程和機器能夠長期運行，而且機器不會出現磨損，但這需要投入大量資源（中圖）。利用狀態監測可以延長服務周期，在消除故障風險的同時降低維護成本（上圖）。（圖片來源：RECOM Power）

IIoT 傳感器是狀態監測應用的理想選擇。這些外形緊湊的器件可按機械方式連接到已知的機器或工藝故障點附近，以提高測量精度。通過無線連接可以定期更新狀態，而不需要昂貴的通信線路。

IIoT 傳感器的電源設計面臨非常嚴峻的挑戰。典型的應用環境非常臟，可能有大量振動，溫度可能很高，危險電壓隨處可見。空間往往非常珍貴，而且敏感的電子器件需要持續、無干擾且精準調節的直流電壓。

新一代隔離式 DC/DC 轉換器，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。這些轉換器采用表面貼裝封裝，能夠提供高達 1 瓦的功率，同時僅占用極少的印刷電路板空間。

堅固的商用 IIoT 傳感器電源

封裝技術的進步（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）使制造商能夠為 IIoT 傳感器應用提供高規格的隔離式 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。（圖片來源：RECOM Power）

由于采用標準的 SOIC-16 封裝，因此可使用自動化設備進行處理和組裝。最后，這些芯片體積小巧，因而可以將功率調節置于更靠近負載的位置，從而簡化設計并縮小設計尺寸。

低成本的 RECOM Power DC/DC 轉換器可從 4.5 到 5.5 伏標稱輸入提供 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 50 毫伏 p-p (mVp-p)）。轉換器的輸出電壓與流行的有源傳感器系列以及常用于數據分析的微控制器或 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。這些轉換器配備了短路、過流和過溫保護，在 IIoT 應用中具有高可靠性。

0.5 瓦版本可以在高達 100°C 的環境溫度下無降額運行，1 瓦版本的產品則可以在 72°C 以下使用。這兩種器件均符合 IEC 62368-1 標準（信息技術設備，一般安全要求）。

DC/DC 轉換器沒有最低負載要求，因而非常適合經常切換到輕載工作模式以節省能源的應用。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），最長持續 60 秒 (s)。在再次進入峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持續時間的恢復期（圖 3）。

圖 3：RECOM Power 的 R05C05TE05S-CT 0.5 瓦 DC/DC 轉換器可以提供 0.6 瓦的峰值輸出功率，最長持續 60 秒。在再次到達峰值功率之前，需要三倍于峰值功率持續時間的恢復期。（圖片來源：RECOM Power）

滿足隔離需求

每當重型機械啟動或停止時，IIoT 節點周圍的環境就會出現高電涌。為了安全起見以及保護脆弱的電子設備，傳感器的直流電源需要與主電源隔離。

RECOM Power 的 DC/DC 轉換器使用一個內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 60 秒鐘），并且經測試，可在 3.6 kV 最大直流隔離電壓下持續 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 變換器的應用電路。

圖 4：RECOM Power 的 RxxC05TExxS 隔離式 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瓦特每立方厘米 (W/cm3) 為單位。更高的功率密度使設計人員能夠在不增加元器件尺寸的情況下增加應用的可用功率，或者在減小產品整體尺寸的同時保持功率輸出。

對于 DC/DC 轉換器供應商來說，提高能量密度的關鍵在于提升芯片的能效和/或增強其熱性能，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 轉換器為低成本、隔離式、半調壓開關器件提供了良好的能效。它們得以從競爭器件中脫穎而出，憑借的關鍵特性是，在 20% 到滿輸出負載范圍內具有相對平坦的能效曲線（圖 5）。而同類競爭器件在低、中輸出負載下的能效表現則往往不如人意。

圖 5：圖中顯示了 R05C05TE05S-CT 的能效與輸出負載百分比關系圖。隔離式開關轉換器在廣泛的負載范圍內提供了良好的能效。（圖片來源：RECOM Power）

元器件的最大結溫 (Tjmax) （在硅芯片的頂面中心測量）通常在規格書中詳細說明。只要器件不超過此限值，制造商就能保證器件的性能。超過此溫度工作會改變半導體的電導率，使其不再具有預期的性能，甚至可能造成永久性損壞。

對于 DC/DC 穩壓器等固定功率耗散器件而言，Tj 在很大程度上取決于內部的多路徑熱阻 (Ψjt)，以及向直接環境傳熱的效率。Ψjt 會考慮熱量可以從元器件中逸出的所有途徑，包括經由印刷電路板從芯片的底面逸出。這一參數在實驗室外很難測量，通常未包括在規格書中。θja 是 Ψjt 一個不錯的替代參數；它是從硅芯片直接到周邊環境的單一熱路徑的熱阻抗 (Rθja) 指標，其測量過程更為簡單。Rθja 的單位是攝氏度（或開爾文 (K)）每瓦 (°C/W)。Tj 可通過以下公式進行估算：

元器件設計人員的目標是最小化內部熱阻抗，并最大化傳導和對流傳熱，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：元器件制造商規定了有源器件的最高結溫 (Tjmax)，以確保其正常工作。對于給定的功率耗散，Tj 主要取決于元器件的總熱阻抗和環境溫度 (Ta)。（圖片來源：RECOM Power）

IIoT 傳感器經常在幾乎沒有通風的封閉環境中運行。這可能導致環境溫度上升，在工業環境下可以輕松接近 70℃。這么高的 Ta 會影響元器件的溫度開銷。

以下述典型 DC/DC 轉換器為例：

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用。

更好的解決方案是選擇一個具有擴展溫度范圍的器件。有許多商用 DC/DC 穩壓器的 Tjmax 高達 125°C，還有一些，如 RECOM Power 的解決方案，更是將其擴展到 150°C。其次，可以更緊密地匹配輸入和輸出電壓（這將提高線性穩壓器的效率，從而降低功率耗散）。第三，設計者應考慮選擇具有最低熱阻抗的器件。

考慮另一個依據下列標準選擇的 DC/DC 轉換器示例：

此選項提供了相當大的溫度開銷，有助于延長產品壽命。

RECOM Power 的 RxxCTExx 系列采用三維電源封裝 (3DPP) 來降低熱阻抗。3DPP 利用材料優化、制造技術和各種結環傳熱方法，如引線倒裝片 (FCOL)、嵌入式 IC 和熱通孔，來降低熱阻抗。利用這些技術可以制造 SOIC-16 尺寸的 DC/DC 轉換器，既能為高負載供電，還可避免主動式冷卻方法或大型無源散熱片帶來的復雜性和成本。RxxC05TExxS 產品的 Rθja 為 63.8℃/W，相比之下，傳統產品約為 90℃/W。

在某些情況下，例如在封閉空間內，靠近由大型電機供電且輻射大量熱量的機器時，環境溫度會上升得更高。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，進而降低 Tj）。例如，考慮以上詳述的第二個 DC/DC 轉換器；當溫度上升到 110°C 時，只留下約 38°C 的溫度開銷，低于延長產品壽命的建議值。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，以免對元器件造成長期損害。（圖片來源：RECOM Power）

結語

為機器狀態監測等應用中的低功耗無線 IIoT 傳感器供電，是一項相當有挑戰的任務，因為它們的工作環境不僅熱而且臟。敏感的監測器件必須獲得穩定、無干擾的直流電壓并受到保護，以防范工業設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。

現在，新一代的隔離式 DC/DC 轉換器可幫助設計人員應對這些挑戰。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也降低了熱阻抗，使器件能夠在封閉的高溫環境中工作，而不需要昂貴且笨重的散熱器。