산업용 IoT 센서에 적합한 분리형 DC/DC 컨버터를 선택하고 사용하는 방법

기계 상태 모니터링과 같은 응용 분야에서 무선 산업용 사물 인터넷(IIoT) 센서를 구동하는 것은 까다롭습니다. 센서가 작고, 강력하고, 배포하기 쉽고, 저렴하면서 유지 관리를 거의 또는 전혀 하지 않은 상태로 오랜 기간 안정적으로 작동해야 합니다. 센서가 고장나면 기계 상태에 대한 중요 데이터 누락, 비싼 수리, 치명적인 시스템 고장이나 생산 라인 고장 등 다양한 영향을 미칩니다.

이 기사에서는 상태 모니터링 응용 분야에서 배터리 구동 IIoT 센서용 전원 공급 장치를 제작할 때 설계자가 겪는 문제를 자세히 설명합니다. 그런 다음 에너지 밀도가 높은 RECOM Power의 분리형 DC/DC 컨버터를 전원 공급 장치의 토대로 활용하여 비싼 대형 방열판에 의존하지 않고 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법을 설명합니다.

상태 모니터링이란?

상태 모니터링은 크고 복잡한 기계 및 공정에 대한 예방 정비 일정 관련 문제를 해결합니다. 기술을 활용하면 기계 부품의 상태를 파악하여 장애가 발생하기 전에 수리 또는 교환할 수 있습니다. 예를 들어 소프트웨어에서 모터의 진동 신호를 지속적으로 모니터링하여 베어링의 마모 상태를 파악하고 현재 마모율이면 언제 고장을 일으킬지 추정할 수 있습니다. 엔지니어는 해당 정보를 활용하여 계획되지 않은 다운타임을 방지하면서 서비스 간격을 연장할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 유지보수가 없다면 복잡한 산업 공정과 기계에 장애가 발생하여 다운타임이 길어집니다. 수리 후에도 마모된 장비가 반복적으로 장애를 일으킵니다(아래쪽). 예방 정비 체계에서는 빈번한 서비스 간격을 예약하여 공정 및 기계가 오랫동안 가동되고 기계가 마모되지 않는지 확인하지만, 리소스 사용량이 많습니다(가운데). 상태 모니터링을 사용하면 유지보수 비용을 절감하면서 고장 위험 없이 서비스 간격을 늘릴 수 있습니다(위쪽). (이미지 출처: RECOM Power)

IIoT 센서는 상태 모니터링 응용 분야에 좋은 옵션입니다. 이 콤팩트 장치를 알려진 기계 또는 공정 장애 지점에 가깝게 부착하여 측정 정밀도를 개선할 수 있습니다. 무선 연결을 사용하면 비싼 통신선을 사용할 필요 없이 상태를 주기적으로 업데이트할 수 있습니다.

IIoT 센서용 전원 공급 장치를 설계하는 일은 어려운 과제입니다. 일반적인 응용 환경은 오염되고, 많은 진동이 발생하고, 온도가 매우 높으며, 위험한 전압이 흔합니다. 대체적으로 공간이 부족하며 민감한 전자 장치는 지속적이고 깨끗하고 정밀한 정격 DC 전압을 요구합니다.

RECOM Power의 RxxCTExx 계열과 같은 차세대 분리형 DC/DC 컨버터가 이에 대한 솔루션을 제공합니다. 이 콤팩트 장치는 IIoT 센서 응용 분야에 필요한 높은 에너지 밀도, 콤팩트한 크기, 내구성 및 효율성을 제공합니다. 이 컨버터는 pc 기판에서 최소 공간을 차지하면서 최대 1와트를 제공할 수 있는 표면 실장 패키지로 공급됩니다.

견고한 상업용 IIoT 센서 전원 공급 장치

전력 및 제어 소자를 동일한 실리콘 조각에 통합하고 높이가 낮은 변압기를 채택하는 등 패키징 기법의 발전으로 제조업체에서 IIoT 센서 응용 분야에 고사양 분리형 DC/DC 컨버터를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 RECOM Power DC/DC 컨버터는 평면형 변압기와 같은 설계 요소를 사용하여 칩 높이를 3mm 이하로 줄입니다(그림 2).

그림 2: RECOM의 RxxCTExx 계열은 높이가 3mm 미만인 콤팩트 표면 실장 SOIC-16 패키지로 공급됩니다. (이미지 출처: RECOM Power)

표준 SOIC-16 패키지를 사용하면 자동화된 장비로 조작 및 조립할 수 있습니다. 마지막으로, 칩의 콤팩트한 크기로 인해 부하에 훨씬 가까운 위치에서 전력을 조정하여 설계를 단순화하고 축소할 수 있습니다.

저가형 RECOM Power DC/DC 컨버터는 5V 출력(출력 전압 리플 = 50mV_p-p) 및 정격 4.5V ~ 5.5V 입력에서 0.5와트(R05C05TE05S-CT) 또는 1와트(R05CTE05S-CT)를 공급합니다. 컨버터의 출력 전압은 주요 활성 센서 제품군과 데이터 분석에 일반적으로 사용되는 마이크로 컨트롤러 또는 DSP 프런트 엔드와 호환됩니다. R05C05TE05S-CT 0.5W 장치의 입력 전류는 240mA이고, R05CTE05S-CT 1W 버전의 입력 전류는 370mA입니다. 컨버터에는 IIoT 응용 분야에서 높은 신뢰성을 유지하도록 단락, 과전류, 과열 보호 기능이 있습니다.

0.5W 버전은 주위 온도 최대 100°C에서 부하 경감 없이 작동 가능하고, 1W 제품은 최대 72°C에서 사용할 수 있습니다. 두 장치는 모두 IEC 62368-1을 준수합니다(정보 기술 장비, 안전에 관한 일반 요구 사항).

DC/DC 컨버터는 최소 부하 요구 사항이 없으므로 에너지를 절약하기 위해 매우 낮은 부하 작업 모드로 자주 전환하는 응용 분야에 적합하며, 이는 IIoT 센서의 일반 작업 모드입니다. R05C05TE05S-CT는 최대 60초 동안 0.6W(입력 전류를 255mA로 상승)를 출력할 수 있습니다. 피크 전력을 다시 이용하려면 피크 전력 기간보다 3배 더 긴 회복 기간이 필요합니다(그림 3).

그림 3: RECOM Power R05C05TE05S-CT 0.5W DC/DC 컨버터는 0.6W의 피크 출력 전력을 최대 60초 동안 제공할 수 있습니다. 피크 전력을 다시 생성하려면 피크 전력 기간보다 3배 더 긴 회복 기간이 필요합니다. (이미지 출처: RECOM Power)

분리 요구 충족

IIoT 노드 주위 환경에서는 중장비를 출발하거나 멈출 때마다 높은 전력 서지가 발생합니다. 안전상의 이유와 파손되기 쉬운 전자 장치를 보호하기 위해 센서의 DC 전원 공급 장치를 주 전원과 분리해야 합니다.

RECOM Power DC/DC 컨버터는 내부 변압기를 사용하여 출력을 입력과 분리합니다. 이 장치는 3kV DC 분리 전압을 공급하며(60초 동안) 3.6kV DC의 최대 분리 전압에서 1초 동안 테스트되고, 절연 저항(500V DC, 25°C)은 50GΩ이고 외부 공간거리는 8mm보다 큽니다. 그림 4는 분리형 DC/DC 컨버터의 응용 회로를 보여줍니다.

그림 4: RECOM Power의 RxxC05TExxS 분리형 DC/DC 컨버터 응용 회로 (이미지 출처: RECOM Power)

열 관리의 중요성

DC/DC 컨버터의 에너지 밀도는 W/cm³ 단위로 측정됩니다. 전력 밀도가 높으면 설계자가 더 큰 부품을 사용하지 않고 응용 분야에 제공할 수 있는 전력을 높이거나, 제품의 전체 치수를 줄이면서 전력 출력을 유지할 수 있습니다.

DC/DC 컨버터 제조업체의 경우 높은 에너지 밀도를 제공하려면 칩의 효율성을 높이거나 열 성능을 개선하여 더 작은 패키지를 사용하고 최대 작동 온도를 높이는 것이 중요합니다.

RECOM Power DC/DC 컨버터는 경제적이고 분리된 반정격 스위칭 장치에 우수한 효율성을 제공합니다. 경쟁사의 장치와 차별화하는 주요 특징은 20% ~ 최대 출력 부하 범위에서 효율성 곡선이 상대적으로 평평하다는 것입니다(그림 5). 경쟁사 장치는 중소 출력 부하에서 주로 낮은 효율성을 나타냅니다.

그림 5: R05C05TE05S-CT에 대한 효율성 및 출력 부하 비율 비교 그래프를 보여줍니다. 분리형 스위칭 컨버터는 폭넓은 부하 범위에서 우수한 효율성을 제공합니다. (이미지 출처: RECOM Power)

실리콘 다이의 상단 가운데에서 측정하는 부품의 최대 접합 온도(T_jmax)는 일반적으로 규격서에 자세히 나와 있습니다. 장치가 이 한도를 초과하지 않는 경우 제조업체는 성능을 보증합니다. 이 온도를 초과하여 작동하면 반도체의 전도율이 변경되어 더 이상 의도한 대로 작동하지 않고 영구적으로 손상될 수도 있습니다.

DC/DC 조정기와 같은 고정 내전력 장치의 T_j는 주로 내부 다중 경로 열 저항(Ψ_jt)과 주변 환경에 대한 열전달 효율에 따라 달라집니다. Ψ_jt는 부품에서 열을 발산할 수 있는 모든 방법(예: 칩 하단을 통과하여 pc 기판을 통해)을 고려합니다. 이 파라미터는 실험실 밖에서 측정하기 어려우며 대개 규격서에 포함되지 않습니다. Ψ_jt에 적합한 프록시는 θ_ja입니다. 이는 실리콘 다이에서 측정하기 더 간편한 주위 환경까지 단일 열 경로에 대한 열 임피던스 측정(R_θja)입니다. R_θja의 단위는 W당 섭씨 온도(°C/W) 또는 켈빈(K)입니다. T_j는 다음 방정식으로 예측할 수 있습니다.

부품 설계자는 내부 열 임피던스를 최소화하고 전도 및 대류 열전달을 최대화하여 부품 온도를 낮게 유지하고 T_j와 T_jmax 사이의 만족스러운 '오버헤드'를 제공하는 데 목표를 둡니다(그림 6).

그림 6: 부품 제조업체는 활성 장치의 적절한 작동을 보장하는 최대 접합 온도(T_jmax)를 지정합니다. 주어진 내전력에서 Tj는 주로 부품의 총 열 임피던스와 주위 온도(T_a)에 의해 결정됩니다. (이미지 출처: RECOM Power)

IIoT 센서는 대개 환기가 잘되지 않는 협소한 환경에서 작동합니다. 이로 인해 주위 온도가 상승하며 산업 환경에서는 온도가 70°C에 쉽게 접근할 수 있습니다. 이 높은 T_a는 부품의 온도 오버헤드에 영향을 줍니다.

일반 DC/DC 컨버터의 경우 다음 예제를 고려하십시오.

방열판을 사용하여 비용과 부피를 늘리지 않을 경우 이 장치는 온도 오버헤드가 매우 제한적이므로 응용 분야에 적합하지 않습니다.

더 나은 솔루션은 확장된 온도 범위를 가진 장치를 선택하는 것입니다. T_jmax 125°C를 제공하는 상업용 DC/DC 조정기는 많지만, RECOM Power 솔루션과 같은 일부 제품만 이 온도를 150°C까지 연장할 수 있습니다. 둘째, 입력 전압과 출력 전압이 더 가깝게 일치하여 선형 조정기의 효율성을 높이고 내전력을 낮출 수 있습니다. 셋째, 설계자는 가장 낮은 열 임피던스를 가진 장치를 선택해야 합니다.

이러한 기준에 따라 선택된 DC/DC 컨버터에 대한 두 번째 예제를 고려해 보십시오.

이 옵션은 높은 수준의 온도 오버헤드를 제공하여 제품 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

RECOM Power의 RxxCTExx 계열은 3D 전력 패키징(3DPP)을 채택하여 열 임피던스를 낮춥니다. 3DPP는 재료 최적화, 제조 기술 및 다양한 접합부와 주위 사이 열전달 방법(예: FCOL(flip-chip-on-lead), 내장형 IC, 열 바이어스)을 활용하여 열 임피던스를 낮춥니다. 이러한 기술을 활용하면 복잡하고 비용이 많이 드는 능동형 냉각 방법 또는 대형 수동 방열판을 사용하지 않고도 높은 부하를 출력할 수 있는 SOIC-16 크기 DC/DC 컨버터를 제조할 수 있습니다. RxxC05TExxS 제품의 R_θja는 63.8°C/W인 반면에 기존 제품은 약 90°C/W입니다.

특정 환경(예: 대형 전동 모터로 구동되어 많은 열을 발산하는 기계 주위의 밀폐된 공간)에서는 주위 온도가 훨씬 더 높아질 수 있습니다. 이 경우 칩 제조업체는 부하 경감, 즉 장치의 출력 전력을 제한하여 내전력과 T_j를 낮출 것을 권장합니다. 예를 들어 위에 설명된 두 번째 DC/DC 컨버터를 고려할 때, 온도가 110°C로 상승하면 약 38°C의 온도 오버헤드만 남습니다. 이는 제품 수명 연장을 위해 권장되는 온도보다 낮습니다. 그림 7은 RECOM Power RxxC05TExxS의 열 부하 경감 곡선을 보여줍니다.

그림 7: RECOM Power RxxC05TExxS DC/DC 컨버터의 열 부하 경감 곡선 제조업체는 T_a = 104°C를 초과하는 출력 전력을 줄여서 부품의 장기적인 손상을 방지할 것을 권장합니다. (이미지 출처: RECOM Power)

결론

기계 상태 모니터링과 같은 응용 분야에서 저전력 무선 IIoT 센서를 구동하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 작동 환경이 덥고 지저분하기 때문입니다. 민감한 모니터링 장치에 안정적이고 깨끗한 DC 전압을 공급하고 산업용 장비에 일반적인 높은 전압 서지로부터 장치를 보호해야 합니다. 또한 일반적으로 공간이 협소하고 비용을 낮추어야 합니다.

이제 차세대 분리된 DC/DC 컨버터를 사용하여 설계자가 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 콤팩트한 표면 실장 솔루션은 쉽게 조립할 수 있으며 필요한 높은 에너지 밀도, 공간 절약, 내구성 및 효율성을 제공합니다. 또한 새로운 패키징 기술과 제조 기술로 열 임피던스를 줄였으므로, 비싼 대형 방열판 없이도 밀폐된 고온 환경에서 장치를 작동할 수 있습니다.