Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Mycket av fokuseringen inom IoT har legat på nätverkssidan av systemet – hur sensorer ska kunna leverera data till molnet. Men betydligt viktigare är den grad av lokal styrning och oberoende som tekniken ger till elektroniska styrenheter. Det blir möjligt att konstruera robotar och system för rörelsestyrning med en processor i varje axel. Var och en av dessa styr en motor som kan variera i storlek från små aktuatorer med hög precision till stora AC- eller synkronmotorer som arbetar med den senaste generationens IGBT-omvandlare och bryggkretsar.

I sådana tillämpningar är kostnad och miniatyrisering nyckelfaktorer, eftersom dessa konstruktioner kräver att den elektroniska styrningen och effektmatningen placeras så nära de motoriserade subsystemen som möjligt. Detta gäller i extra hög grad vid POL-reglering (point-of-load). För att man här ska kunna dra nytta av hög verkningsgrad och minskade I2R-förluster krävs att energin distribueras över systemet med relativt hög spänning, innan den konverteras ned till de spänningar som passar de styrkretsar och transistorer som levererar effekt till aktuatorer och sensorer.

Här handlar det inte om att uppnå kostnadsminskningar genom att snåla in och använda genvägar, utan snarare om kostnadsminskningar som kommer av en helhetssyn genom val av arkitekturer och konstruktioner som inte gör avkall på vitala egenskaper som till exempel isolation. Inom exempelvis sjukvården ställs det ännu högre krav på isolation och testning för att kunna garantera säker drift om ett fel skulle uppstå.

Om en systemkonstruktör väljer ett spänningsaggregat med lägre specificerad isolation måste han eller hon garantera patientsäkerheten på andra sätt, enligt tredje utgåvan av den viktiga standarden IEC 60601-1 för medicinska system. Om aggregatet är specificerat att bara ge skydd åt operatören, vilket innebär ett lägre krav än för skydd av patienten, krävs extra isolationsmetoder om patienten kan komma i kontakt med systemet. Så även om kostnaden för ett sådant operatörsskyddat aggregat kan vara lägre än för ett patientskyddat, kan den totala kostnaden för konstruktionen lätt bli högre.

I konventionella effektomvandlare sker dock en ökning av isolationen på bekostnad av verkningsgraden. Men genom att fokusera på omvandlarens arkitektur, och använda innovativa konstruktioner speciellt inriktade på hög verkningsgrad, har tillverkare som Aimtec och Murata Power Solutions tagit fram omvandlare som ger den miniatyrisering och isolation som krävs för denna nya generation av cyberfysikaliska system. Dessa produkter ger den fulla spårbarhet som erbjuds med 8D-rapporter, något som kanske inte går att få från tillverkare som enbart är inriktade på låga kostnader och därigenom använder komponenter av lägre kvalitet.

Att fokusera på verkningsgraden vid DC/DC-omvandling betalar sig på många sätt. Förbättrade arkitekturer gör det möjligt att använda nya magnetkomponenter, FET:ar och effektstyrkretsar som ger hög verkningsgrad över ett mycket bredare område, jämfört med äldre konstruktioner. Men inte bara det: dessa nya konstruktioner ger bredare temperaturområden genom en kombination av lägre driftstemperatur och att man kan utesluta kända problematiska komponenter. Ett exempel är MMV-serien från Murata, som vid full belastning har ett arbetstemperaturområde från –40 °C till +85 °C. Denna serie har inga interna elektrolyt- eller tantalkondensatorer, och den använder ytmonteringsteknik med inkapslade toroidmagneter för att spara utrymme. Dessutom är den fullständigt kortslutningsskyddad och klarar drift vid tomgång.

Nya arkitekturer ger större flexibilitet vid konstruktionen, vilket de ledande leverantörerna av effektomvandlare utnyttjar för att kunna erbjuda de produkter kunderna behöver där effekten ska levereras. Kundundersökningar har visar att många 1 W DC/DC-omvandlare ofta arbetar med belastningar på 0,6 W ned till 0,25 W. Därför har Murata utvecklat CMR- och CME-serierna, som har en toppeffekt på 0,75 W. För system som kräver hög isolation, som medicinsk utrustning och precisionsrobotar, har Murata lanserat MGJ2. Det är en 2 W-omvandlare som kan driva IGBT-system på höga och låga sidan. Den ryms i en SIP7-kapsel, men ger ändå en isolation på 5,2 kV.

Skydd är den viktigaste egenskapen hos AM1G-Z från Aimtec, som använder en högeffektiv konstruktion för att kunna rymma en 6 W-omvandlare i en SIP8-kapsel, men ändå ge 3 kV isolation.

Aimtec har utvecklat en omfattande serie med miniatyromvandlare för bland annat IoT och cyberfysikaliska tillämpningar. De har hög verkningsgrad för att kunna erbjuda ett utökat temperaturområde från –40 °C till +105 °C, eller till och med från –50 °C till +125 °C, med endast en liten försämring av prestanda vid de högsta temperaturerna. Prestanda vid 125 °C är fortfarande 80 procent av den vid 105 °C. Detta visar betydelsen av att använda konstruktioner med hög verkningsgrad som begränsar självuppvärmningen i cyberfysikaliska enheter som måste arbeta i svåra miljöer.

Genom en fortsatt fokusering på högre arkitekturbaserad verkningsgrad kommer företag som Aimtec och Murata att kunna gå vidare med löften om kostnadsminskningar och miniatyrisering, utan att behöva kompromissa med andra faktorer som isolation och spårbarhet. Detta är vitalt för expansionen av nya marknader inom IoT och cyberfysikaliska system.