从地震监测物联网应用谈起,工业物联网电源设计如何兼顾安全、降本、增效?

在长宁6.0级地震中,成都高新减灾研究所研发的ICL地震预警系统再次成功预警破坏性地震。

在长宁6.0级地震中,成都高新减灾研究所研发的ICL地震预警系统再次成功预警破坏性地震。这套全自动秒级响应预警系统是典型的工业物联网应用,通过在地震多发区域密集布设预警监测仪,在地震发生时准确监测震源、震级、烈度等信息,实现秒级反馈并进行预警,便于个人和精密生产、高铁等行业应用早做安排,整体降低了生命和财产损失。

从地震监测物联网应用谈起,工业物联网电源设计如何兼顾安全、降本、增效?

图1:地震预警流程 来源:成都高新减灾研究所

与石油、铁路、公用电力等工业物联网应用一样,这类预警系统持续、可靠、高效的运作,需要能够处理适度电流水平的功率转换IC。这些应用的电流通常在数百毫安,如果存在峰值功率需求,则电流量可能更高。如何满足这些功率转换设计需求?尤其是可用空间越来越窄、负载功率却更多,且没有足够时间来设计、调试时。如果不想在极其紧张的时间里挑灯夜战电源设计,不妨考虑下高性能模拟技术领导厂商ADI公司μModule?(微型模块)器件。该产品系列按业内最高质量标准构建,大大降低了成功设计高性能、高功率密度解决方案的风险、时间和精力,尤其适合于电源设计资源有限的团队。

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图2:ADI公司μModule?器件

专业人才缺乏,市场倾向于整体解决方案

工业物联网设备的主输入电源通常是来自外部AC-DC适配器和/或电池组的24 V或12 V直流电源。然后,此电压通过同步降压转换器进一步降低到5 V和/或3.x V电压轨。尽管如此,经过这些工业物联网设备内部调节后的供电轨数量却在增加,而工作电压持续降低。因此,其中许多系统仍然需要3.x V、2.x V或1.x V电压轨,用于为低功耗传感器、存储器、微控制器内核、输入/输出和逻辑电路供电。

考虑工业物联网连接设备的数量高达数十万,且就像地震预警监测仪一样分散在广阔的野外区域,这意味着这些设备需要及时回传大量的数据到远程集中式集线器,因此,内部功率放大器可能需要最高0.8 A电流能力的12 V电压轨。传统上,该12 V电压轨由升压开关稳压器提供,这需要专门的开关模式电源设计知识和技能,并且占用印刷电路板(PCB)上相当大的面积。

开关稳压器的效率很高,但在敏感应用中的噪声和EMI水平是影响其市场表现的重要因素之一。专业的开关电源设计专家对此轻车熟路:开关稳压器在正常模式下以恒定频率开关,并且开关边沿干净、可预测且没有过冲或高频振铃,那么EMI将极小;小封装尺寸和高工作频率可以提供小而紧凑的布局,从而最大限度地降低EMI辐射;如果稳压器可以与低ESR陶瓷型电容一起使用,则输入和输出电压纹波(这是系统中的额外噪声源)可以最小化等。

然而,行业数据显示全球电源设计专家正在减少,而且在大多数客户现场根本没有足够的电源设计资源来开发每一种电源。在专业电源设计师越来越少的当下,大部分厂家没有/不想配备足够的人手支持每一种电源开发,他们更希望采用一个现成的完整电源,这个电源随时可用并能满足最终应用所需的所有性能标准——这也是ADI公司完整的电源管理解决方案μModule器件的初衷,既有开关稳压器的效率,又有线性稳压器的易设计性。

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图3:3.3V至5V输入,提供最高800mA的12V电压,采用外部时钟

μModule:高性能、高可靠性、易设计

ADI公司的μModule产品是完整的电源管理解决方案,在紧凑型表贴BGA或LGA封装内集成DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿组件和电感,还将分立式电源、信号链和隔离设计中常用的关键元件集成在紧凑的IC式外形尺寸中。在ADI公司严格的测试和高可靠性流程的支持下,μModule产品系列简化了功率转换的设计和布局,将元件选型、优化和布局等设计负担从设计人员转移到器件上,可大幅缩短整体设计时间,减少系统故障,最终加快产品上市时间。

μModule产品涵盖了广泛的应用,包括终端负载稳压器、电池充电器、LED驱动器、电源系统管理(PMBus数字管理电源)和隔离式转换器。作为高集成度解决方案,μModule电源产品可在满足时间和空间限制的同时提供高效率、高可靠性,某些产品还提供符合EN 55022 B类标准的低EMI解决方案。

以LTM4661为例,这是一款采用 6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA 封装的低功率升压型 μModule? 稳压器。LTM4661的封装中包含开关控制器、功率FET、电感和所有支持元件。在1.8 V至5.5 V的输入范围内工作时,它可以提供2.5 V至15 V的稳压输出,输出电压通过单个外部电阻设置。只需少量的电容器和一个电阻器即可完成设计,而且解决方案的占板面积小于 1cm2 (单面 PCB) 或 0.5cm2 (双面 PCB)。

LTM4661 能够在 3.3VIN 至 5VOUT 转换情况下连续地提供 4A 电流,以及在 3.3VIN 至 12VOUT 情况下连续地提供 0.7A。LTM4661 采用同步整流,可提供高达 92% 的转换效率 (3.3VIN 至 5VOUT,效率曲线如图)。开关频率为 1MHz,而且也可同步至一个频率范围为 500kHz 至 1.5MHz 的外部时钟。LTM4661 的 1MHz 开关频率和两相单输出架构可针对电压和负载变化实现快速瞬态响应,并显着地降低输出纹波电压。LTM4661 拥有停机期间的输出断接和启动时的浪涌电流限制功能。故障保护功能包括短路、过压和过热保护。

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图4:LTM4661的效率与输出电流的关系,从3.3V输入升压为5V至15V输出

降本增效反推工业物联网加速进程

近年来,工业物联网的“降本增效”越来越为市场认可,而其降低成本的能力一定程度上意味着工业物联网的市场规模。可以想象,如果能节省2个亿,工业企业是愿意支付1个亿进行物联网技术改造的。据GE(通用电气)的测算,仅航空、电力、医疗、铁路和石油与天然气等大型工业物联网应用,未来15年降本增效规模将高达2760亿美元。

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图5:工业物联网“降本增效”能力,来源:鲸准研究院,GE

与此同时,这些系统的空间和热设计限制催生了一类新型功率转换器,要求其实现小尺寸、紧凑且热效率高的必要性能指标,以为诸如功率放大器等内部电路供电,μModule稳压器之类的器件简化此类系统的电源设计人员的工作,其安全、高效、低EMI、小尺寸和易设计的功率转换器将大幅降低工业物联网的基础设施成本以及产品生命周期的总拥有成本,必将反推工业物联网加速其广泛应用进程。

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