苛刻的环境挑战电源管理

石油钻机平台
基于数据的预测建模为工业系统监控提供了极大的节约成本的可能性,这将进一步促进工厂和制造业的自动化,并协助翻新运输和能源传输基础设施。对数据的需求将要求工业界用与物联网(IoT)连接的高分辨率组件进行分析。但是,尽管工业物联网取得了很大的进展,但考虑到恶劣的环境对机箱和电源管理的不起眼依然至关重要。
来自物联网生成数据分析的全新商业机会可能来自传感器和控制器,特别是在恶劣的环境(HE)中。例如,通用电气(GE)的喷气发动机业务已经通过使用预测模型而发生了巨大的变化。这个新的“数字化工业化”访问,解释和分析兆兆字节的性能数据,部分通过修改维护和修复计划,将其转化为成本节约和更高的生产力。GE的努力不会以喷气式发动机而告终。据“华尔街日报”报道,由于将更多的工厂和设计流程引入到数字系统中,GE将会“从运营中获得10亿美元的生产效率”。一世
KTK高压连接器图1:安费诺®工业提供KTK高压井下连接器的线高压连接器非常适用于石油和天然气钻井应用。由安费诺工业的图像。
但通用电气在衡量恶劣环境对电子系统的影响方面并没有垄断。石油和天然气行业长期以来一直使用必须承受高达200°C(415°F)的温度和高达每平方英寸30,000磅(PSI)的压力的“井下”电子设备,连接器和设备。然而,还有很多其他应用中的电子设备必须受到保护以避免恶劣的环境
在确保电子系统的完整性方面,保护电源轨尤其具有挑战性。即使电源不在油井钻探探头的尖端工作,工业环境也可能威胁电子设备的寿命。即使在可怕的电流负载下,电源管理设备也必须提供精确的电压控制。这些设备是电源,脉冲电机控制和自动点火系统的组成部分。
毫不奇怪,市场研究公司将工业控制确定为电源管理控制器(电压调节器,电机驱动器,脉冲发生器和火花发生器)的主要市场驱动因素 - 取代计算机电源成为电源管理芯片和模块的主要消费者。工业和计算机市场每年每个电力管理半导体消费约35亿美元。
与计算机和通信数据中心使用的部件相比,工业电源管理设备必须在更高的电压下工作(这增加了波形控制的难度,并且对能量传输效率提出了挑战)。例如,任何与三相220VAC电力线接口的设备必须额定电压为600伏或更高。机会是 - 尽管需要高能量转移效率 - 将需要大型散热片。工业功率控制的另一个挑战是在恶劣的环境中保持速度,精度和效率的能力。

恶劣环境的挑战

旨在在恶劣环境下工作的电子设备通常超过军用规格(即-40°C至125°C)。坚固的外壳必须保护电路免受液体,微粒和篡改的影响。两个最相关的外壳规格包括国家电气制造商协会(NEMA)的评级和几乎相当于Ingress Particulate(IP)的代码(IEC 60529)。这些文件有效地量化了产品能够承受各种苛刻条件(如沙尘暴或腐蚀性液体中的浸没)的程度。
NEMA外壳标准实际上指定了外壳提供的防护等级。根据您所咨询的文档,NEMA Type 1外壳既可以保护工作人员免受灰尘和石头的损坏,也可以作为防止内部电子电路的屏障。保护程度以及访问限制随着NEMA等级数字的增加而增加。另一方面,类型3的评级为防止水(雨水,雨雪,雪)进入提供一定程度的保护 - 或者在外壳外部形成冰。蜂窝基站,通常安装在电话杆上的密封罐,反映了NEMA 4X等级。类型12 指定用于尘土飞扬的工业应用中的外壳,并附加防止非腐蚀性液滴的保护。
评分 用途 描述
4和4X 一般用途防风雨 用于室内或室外使用,保护环境,防止腐蚀。
6&6P 通用潜在的 打算在室内或室外使用,以免偶尔浸泡。
7 危险 按照NFPA评级系统,适用于I类,A,B,C和D类环境的室内使用。
8 危险 按照NFPA评级体系,适用于I类,A,B,C和D类环境的室内或室外使用。
9 危险 按照NFPA评级系统,适用于II类,E,F和G类环境的室内或室外使用。
12和12K 产业 打算用于工业应用,防尘和防腐蚀液滴。
13 产业 用于工业应用,防尘,防喷水,防油和防腐蚀液体。
表1:按照NEMA等级列出的外壳
IP标准更加明确一些。例如,IP-68环境规定了3米深的液体中的“永久性浸没”,并对灰尘进行了全面密封。
除了颗粒进入之外,如果暴露在水或其他液体中,则电子器件可能容易损坏或不能操作。汽车发动机舱尤其脆弱。安装在汽车引擎盖下的系统中,电子元件暴露于振动,热量,湿度,水,泥和机油中。

保护你的力量Rails:考虑的例子

Mean Well的HEP-100系列图2:Mean Well的 HEP-100系列工业级电源能够抵抗6KV的浪涌,并且可以灌封IP68防潮性能。图片:好的。
在保护电路免受潮湿和多尘的环境中选择外壳是必要的,不要忽视电源的可靠性和服务记录。的纬HEP-100是用于恶劣的环境和升高的温度的工业电源(-55℃至+ 70℃)。这是一个高达94%的AC / DC电源。有五种版本可供选择,分别为100,150,185,240或320瓦输出。HEP电源可接受宽输入范围(90至305VAC),并提供12V,15V,24V,36V,48V或54V的输出电压,使得该系列可在多种应用中扩展。
320瓦版本提供了足够的电力来运行工厂环境中的可编程逻辑控制器(或用于具有高导通时间占空比的服务器卡)。开关电源包括短路,过压和电流过载保护。它抵抗高达6kV的电流浪涌。这些电源采用导热硅胶封装,提供最高达IP68的防尘防水(完全密封)和高达10G的抗震性能。该系列适用于户外通讯设备,室外标牌和广告牌,以及石油工厂或矿井设施。
恩智浦半导体的SB0410是另一种电源管理器件。芯片上的工业电机控制器是四阀门和泵控制器片上系统(SoC)。它包括四个低侧稳压电磁铁驱动器和一个高端脉宽调制器(PWM),用于控制脉冲直流电机(借助外置MOSFET功率晶体管)。该装置受到高浪涌电流的保护。脉冲电机驱动电路将提供高达2.25A(5.0 kHz脉冲)。
恩智浦半导体的SB0410图3:恩智浦半导体的SB0410是一款工业控制芯片,是一款四通阀和电机驱动片上系统(SoC)。它包括四个低侧稳压电磁线圈驱动器和一个用于电机驱动的高侧脉宽调制器(PWM)。图像:恩智浦。
对于恶劣的环境,恩智浦SB0410包含一个芯片温度警告。恩智浦认定的HE应用包括点焊,激光切割,瓶装成型,重型设备和施工机械以及叉车。其他应用包括灌溉控制系统。
对于恶劣环境中的电子设备,电源管理始终是必需的,因为所有有源电子设备都需要电源。一个非常普遍的例子是汽车电子固有的高工作温度和高振动环境。英飞凌科技的经 AEC认证的TLF80511EJ LDO线性稳压器采用传统的串联通路拓扑结构,负载电流高达400mA。低工作电流允许零件永久连接到电池,无过载。该器件的低静态电流(38μA)可防止电池耗尽。因此,这些传统的调节器对于汽车仪表组是非常有用的。
该器件专门用于汽车应用,工作温度范围为-40°C至150°C。其他汽车应用包括电子控制单元(ECU),汽车仪表板,气候舱内(HVAC)和起停式发动机。

结论

在经常严重的电流负载下保持指定的电压水平仍然是电源管理设备面临的挑战。另外,电压转换器和调节器的任务是维持高能量传输效率以防止发热。苛刻的环境要求在密封的外壳中控制电子系统性能只会使要求复杂化。工程师必须小心指定那些完全符合任务的组件。

用户喜欢...

电源管理集成电路(PMIC)如何减少这些挑战的影响

在设计具有现场可编程门阵列(FPGA)的系统时,系统设计人员可以获得三个好处:可重编程性,性能可扩展性和快速上市时间。但是,设计师也必须克服挑战。在这篇文章中,我将讨论电源管...


[原创] TI TIDA-01501 450W高效电源参考设计

TI公司的TIDA-01501是450W高效AC/DC转换器,AC输入85V-265V,多路DC输出12-V/5-V/3.3-V,最大输出功率450W.设计电路包括前端连续模式...


[原创] T PWD13F60高密度600V功率驱动器解决方案

ST公司的PWD13F60是集成了栅极驱动器和四个N沟功率MOSFET(双半桥配置)高密度功率驱动器.功率MOSFET有320 mΩ的RDS(on)和600...


[原创] ADI AD8452模拟前端控制器和SMPS PWM驱动器解决方案

ADI公司的AD8452是单一的硅芯片平台,集成了精密模拟前端控制器和开关电源(SMPS)脉宽调制器(PWM)驱动器,以实现大规模电...


[原创] Rohm BD99954应用处理器锂电池充电管理方案

Rohm公司的BD99954是1到4节锂电池双模式充电管理器,小型5.0x5.0mm QFN封装和2.6x3.0mm芯片级CSP封装,提供双源电池充电器,两个...


[原创] Linear LTC2992双路电源电压电流和功率监测解决方案

Linear公司的LTC2992是可测量两个电源电流,电压和功率的双路电源监测器,工作电压2.7V-100V,采用并联电阻可测量到大于...


[原创] ST STWBC-WA可穿戴无线充电发送解决方案

ST公司的STWBC-WA是用于智能手表和可穿戴的无线充电发送器的数字控制器,最佳控制功率小于3W, VIN范围3V-5.5V,支持USB V...


大联大品佳集团推出基于NXP,Nexperia和Infineon产品的15W无线充电解决方案

致力于亚太地区市场的领先半导体元器件分销商---大联大控股宣布,其旗下品佳推出基于NXP,Nexperia和Infineon产品的...


[原创] PowerIntInnoSwitch 3-CP系列30W USB充电器参考设计DER-631

PowerInt公司的InnoSwitch3-CP系列集成了650V/725V MOSFET的离线CV/CC QR反激开关IC,在单片IC内集成了初级和次级控制器以及安全...


[原创] TI TIDA-00951 2kW UPS电源双向DC变换参考设计

TI公司的TIDA-00951是2kW UPS电源双向DC/DC转换器参考设计,工作电压从36 到 60V电池组和300到400-V DC总线,效率大于93%,通信接...


[原创] Infineon ICE5QR1070AZ33W电冰箱辅助电源设计方案

Infineon公司的ICE5QR1070AZ是第五代准谐振CoolSET系列产品,封装内有两个芯片:控制器芯片和HV MOSFET芯片.器件包括700 V/800...


[原创] ADI AD8452电池测试精密模拟前端解决方案

ADI公司的AD8452是用于电池测试和形成系统的精密模拟前端,在单片内组成了模拟前端控制器和开关电源(SMPS)以及PWM,其精...


IDT P9242-R3+P9221-R3 15W双向数据通信无线充电解决方案

IDT公司的P9242-R3是高度集成15W磁感应无线功率发送器,具有双向数据通信,包括了32位ARM Cortex-M0处理器,外部物体检测(F...


Dialog成为赛灵思SoC和FPGA领先电源管理合作伙伴

Dialog将以高效、可扩展、灵活的电源管理IC支持赛灵思Zynq-7000 SoC、Zynq UltraScale+ MPSoC和Spartan-7 FPGA Dialog半导体公司(德国证券交易所交易代码:DLG)日前宣布,成为领先FPGA、SoC和3D IC供应商赛...


[原创] Maxim MAX14748 USB Type-C锂电池充电解决方案

Maxim公司的MAX14748是USB Type-C充电器,集成了充电检测器,升压/降压转换器和带智能功率选择器的锂电池充电器,支持USB...


【原创深度】电源管理:解决热量挑战

当电气工程师使用“电源管理”这个词语时,大多数人会想到通过转换器、调节器以及其他具有功率处理和功率转换功能的器件构成的各种直流电源。但是,电源管理还远不止这些功能。由于...