Couverture ElectroniqueS n°127

Les capteurs et encodeurs intelligents nécessaires à la modernisation des équipements industriels automatisés requièrent de nouvelles approches d'alimentation combinant un rendement élevé et un faible bruit, associant par exemple un convertisseur DC-DC et un régulateur LDO. L es systèmes de nouvelle génération de l'IIoT ( Industrial Internet of Things , ou Internet industriel des objets), de l'automatisation industrielle, de l'électronique de défense et des équipements d'infrastructure réseau, jusqu'aux appareils médicaux et grand public, doivent tous mesurer, collecter, synthétiser et agir sur les données. La quatrième révolution industrielle, communément dénommée Industrie 4.0, a un impact sur la tendance actuelle d'automatisation et d'échange de données dans le secteur de la fabrication, où les systèmes robotiques, l'IIoT, l'informatique cloud et l'informatique cognitive opèrent de concert. Aujourd'hui, les capteurs et les encodeurs intelligents et précis sont très répandus et permettent de doter les équipements électroniques d'une certaine intelligence, afin qu'ils puissent communiquer et coopérer à la fois entre eux et avec les opérateurs en temps réel, et permettre la prise de décision décentralisée. Cette nouvelle intelligence exige un faible niveau de bruit, mais aussi plus de puissance, dans des espaces toujours plus réduits, sans impact sur le budget thermique, ce qui rend les solutions énergétiques classiques non viables. D'où l'intérêt d'examiner en détail les limites des alimentations conventionnelles pour les capteurs et les encodeurs intelligents, et de présenter une solution plus innovante répondant aux exigences en vogue. ANTHONY T. HUYNH (MAXIM INTEGRATED) Anthony T. Huynh est ingénieur d'applications chez Maxim Integrated depuis une vingtaine d'années. Diplômé de l'université d'État de l'Oregon, il est spécialisé dans les alimentations et circuits de gestion d'alimentation et d'électronique de puissance. Historiquement, un capteur comprenait un composant de détection et un moyen de transmettre les données à l'automate programmable (PLC, Programmable Logic Controller ). Les données étaient souvent transmises au format analogique et unidirectionnelles (du capteur vers le PLC). La communication de données analogiques est sujette au bruit, et le contrôleur n'a aucune action sur le capteur pour le diagnostiquer, le reconfigurer ou le reca-librer. Ces capteurs analogiques ont rempli leur office, mais avec les progrès de la technologie, les fabricants de capteurs ont intégré davantage de fonctionnalités dans leurs produits, réduisant la sensibilité au bruit par l'introduction de capteurs binaires. Les capteurs binaires sont régis par la norme CEI 60947-5-2. Cependant, les données sont toujours limitées à la communication unidirectionnelle, du capteur vers le maître, sans contrôle d'erreur, et la présence d'un technicien reste nécessaire sur le site de l'usine pour certaines tâches comme la calibration manuelle. Le connecteur IO-Link fournit l'alimentation du capteur et du microcontrôleur. Si114x Capteurs intelligents Une meilleure solution était nécessaire pour répondre aux besoins de capteurs intelligents compatibles « Industrie 4.0 » et d'ateliers reconfigurables dans les usines. Une des solutions réside dans la norme de réseau de communication industriel, IO-Link. Elle permet la mise en œuvre d'intelligence en périphérie de l'usine, permettant une communication bidirectionnelle entre les capteurs et le contrôleur. Le système peut alors régler, configurer et diagnostiquer les capteurs en temps réel. Une usine traditionnelle est généralement construite et optimisée pour un produit unique. Une fois le quota de produits atteint ou lorsque la demande du marché diminue, l'usine ralentit ou s'arrête. Reconfigurer cette usine traditionnelle pour fabriquer un autre produit nécessite du temps et des moyens financiers. Une usine intelligente, à l'inverse, peut être reconfigurée à la volée pour s'adapter rapidement à l'évolution de la demande. Grâce au diagnostic en temps réel, on peut faire de la maintenance prédictive et optimiser la disponibilité opérationnelle de l'usine. Tout cela est désormais possibles grâce à IO-Link, aux capteurs et encodeurs intelligents, et à d'autres avancées technologiques évoquées plus haut. Les principales caractéristiques d'un capteur intelligent sont la conformité IO-Link, une configurabilité complète sur le terrain, un diagnostic en temps réel et une petite taille (pour pouvoir être installé partout). Ces fonctions intelligentes augmentent la dissipation d'énergie dans les capteurs. En parallèle, on observe une tendance à la miniaturisation chez les différents fabricants. Pour alimenter ces merveilleux capteurs, les concepteurs doivent relever deux défis majeurs : limiter l'échauffement Si11 et l'encombrement, tout en maintenant un faible bruit et un taux de réjection d'alimentation (PSRR, Power Supply Rejection Rate ) élevé, pour ne pas affecter la précision de sortie du capteur. Utiliser un régulateur à faible chute de tension assure un bruit réduit, mais le rendement n'est pas optimal. Encodeurs Les encodeurs servent à surveiller électroniquement la position d'un arbre rotatif. Les encodeurs absolus permettent un contrôle de position précis dans les applications d'emballage, de robotique, de pick-and-place (pose de composants), de vis à billes, de positionnement de table rotative ou d'insertion de composants. Les encodeurs optiques incrémentaux, moins chers et plus petits, conviennent aux applications haute fréquence et haute résolution. Les encodeurs incrémentaux servent surtout à surveiller la vitesse et le sens de déplacement, mais peuvent aussi servir à surveiller la position s'ils sont associés à des logiciels et matériels complémen-taires. Les encodeurs sont installés dans un petit espace à l'intérieur du moteur ou autour de l'arbre moteur. Ils font face aux mêmes défis de conception d'alimentation que les capteurs intelligents : limiter l'échauffement et l'encombrement et maintenir un faible niveau de bruit et un taux de réjection d'alimentation élevé, pour ne pas affecter la précision en sortie de l'encodeur. Examinons un capteur de proximité intelligent doté d'IO-Link. La figure 1 illustre le schéma fonctionnel d'un tel capteur. Le microcontrôleur (MCU) collecte les données du composant de détection, les linéarise et les calibre, puis les envoie à l'émetteur-récepteur IO-Link, qui les envoie ensuite à l'automate programmable du système. Le connecteur IO-Link fournit également le 24 V pour alimenter le capteur. Pour faciliter notre discussion sur la conception de l'alimentation, regroupons tous les composants du capteur sous la dénomination « circuit de capteur ». « L'ali-mentation » est ce qui sert à convertir le 24 V en 3,3 V, pour ensuite alimenter notre « circuit de capteur ». Nous appellerons simplement le capteur physique, « le dis-positif ». Examinons l'énergie dissipée par le circuit de capteur, l'alimentation et l'ensemble du dispositif, si on utilise un régulateur linéaire LDO ( Low Drop Out , à faible chute de tension), une solution d'alimentation traditionnelle ( voir figure 2 ). Un circuit de capteur analogique de la vieille école consomme en moyenne 15 mA. Le rail d'alimentation industriel 24 V peut monter jusqu'à 30 V. Observons les niveaux de puissance dissipée : Io 15 mA, Vi 30 V (max), Vo 3,3 V P Capteur Vo x Io 50 mW P SUP P LDO (Vi - Vo) x Io 400 mW P Dispositif P Envoyeur + P LDO 450 mW Dans cet exemple, seuls 50 mW sont vraiment productifs (ils alimentent le circuit du capteur), tandis que 400 mW sont perdus par le LDO à cause de son mauvais rendement. C'est donc 450 mW de puissance totale que notre dispositif doit dissiper. Désormais, alors que de nouvelles fonctionnalités sont ajoutées pour rendre le capteur plus intelligent, il faut davantage de courant, ce qui augmente la puissance dissipée par le dispositif. Par exemple, si le courant du circuit de capteur passe à 30 mA, le même calcul donne : Io 30 mA, P Capteur 100 mW, P SUP 800 mW, et P Dispositif 900 mW. Or, 900 mW dépasse la capacité de dissipation de la plupart des petits capteurs de proximité. La solution associant un contrôleur DC-DC et un régulateur LDO dissipe cinq fois moins d'énergie qu'un LDO seul. L'échauffement, principal problème de conception L'échauffement est souvent le premier problème pour la conception d'un capteur. La puissance excessive dissipée par le LDO limite le courant disponible pour le capteur, ce qui freine l'innovation. Avec un courant de capteur de 15 mA, la puissance dissipée est à peine compatible avec un connecteur M8, dont la limite de dissipation thermique est d'environ 450 mW. Avec un courant de capteur de 30 mA, même un connecteur M12 ne peut supporter les 900 mW dissipés. D'un autre côté, le LDO offre un excellent taux de réjection d'alimentation (PSRR), ce qui est important pour fournir au circuit du capteur (ainsi qu'à celui de l'encodeur) une alimentation avec un faible niveau de bruit, afin d'assurer un fonctionnement précis. Il est clair qu'il faut une alimentation dotée d'un meilleur rendement pour respecter la limite de dissipation thermique, tout en maintenant une tension de sortie avec un faible niveau de bruit. La figure 3 montre un convertisseur DC-DC suivi d'un LDO. Le convertisseur DC-DC offre un rendement élevé, ce qui réduit l'échauffement, tandis que le LDO assure un faible niveau de bruit en sortie. La sortie 5 V du convertisseur DC-DC maintient le LDO proche de sa limite de décrochage, et réduit sensiblement la puissance qu'il dissipe. Avec un courant de capteur de 30 mA et un rendement de 85 %, le convertisseur DC-DC ne dissipe que 26 mW, tandis que le LDO ne dissipe que 50 mW. La dissipation totale du dispositif (y compris les 100 mW dissipés par le capteur) est donc de 176 mW. Par rapport aux 900 mW de la solution LDO traditionnelle, la solution du convertisseur DC-DC associé au LDO ne dissipe que 20 % de cette puissance, soit cinq fois moins. Encombrement à surveiller Un système intelligent fait appel à davan Si114x tage de capteurs et d'encodeurs intelli- gents. Ceux-ci doivent être petits pour pouvoir être utilisés partout. Ainsi, l'alimentation de ces dispositifs doit également être miniaturisée. Maxim offre par exemple un circuit de gestion d'énergie très intégré, conçu pour répondre aux exigences rigoureuses des applications IIoT. Le MAX17671 intègre un convertisseur DC-DC et un LDO dans un même boîtier TDFN à 10 broches peu encombrant de 3 x 3 mm, et constitue donc un bon choix pour les capteurs et les encodeurs intelligents. Le MAX17671 fonctionne à partir d'une tension d'entrée comprise entre 6,5 V et 60 V, et produit avec un bon rendement une sortie 5 V, qui, à son tour, pilote le LDO intégré pour fournir une sortie 3,3 V à faible bruit, servant à alimenter le circuit du capteur ou de l'encodeur. Avec 30 V en entrée, une fréquence de 200 kHz, une tension de sortie 5 V et un courant de sortie de 50 mA, ce composant offre un rendement d'environ 88 %. À 600 kHz, la fréquence de découpage plus élevée autorise l'utilisation d'une inductance et d'un condensateur de sortie plus petits, ce qui permet de gagner de la place mais présente certains inconvénients en matière de rendement. Les ondulations de la tension de sortie 5 V du convertisseur DC-DC du MAX17671 atteignent 12 mV crête-à-crête, à une fréquence de commutation de 600 kHz. Le taux de réjection d'alimentation (PSRR) est d'environ 45 dB, soit une réduction d'un facteur 178 du bruit en sortie du LDO 3,3 V. Ainsi, l'ondulation de sortie de 12 mV crête-à-crête est ramenée à 67 µV crête-à-crête, une valeur de bruit très faible sans aucun impact sur la précision du capteur ou de l'encodeur. n

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