如何通過(guò)DC-DC電源模塊解決傳感器供電問(wèn)題

從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，下一代電子系統(tǒng)正在注入新的智能，在不斷縮小的空間中需要更多的功率，而不會(huì)影響熱預(yù)算。因此，傳統(tǒng)的解決方案并不適合。然而，考慮到上市時(shí)間壓力，設(shè)計(jì)人員沒(méi)有大量時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)電源，他們必須在有限的空間內(nèi)努力散熱，同時(shí)滿足沖擊、振動(dòng)和 EMI 要求。

在不過(guò)熱的情況下可靠地為縮小的設(shè)備和傳感器供電的最佳方法是什么？并快速創(chuàng)建這些電源設(shè)計(jì)？

傳感器歷來(lái)包括一個(gè)傳感元件和一些將傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程邏輯控制器 （PLC） 的方法。數(shù)據(jù)將是單向的并以模擬格式傳輸。然而，模擬數(shù)據(jù)通信容易產(chǎn)生噪聲，控制器無(wú)法直接診斷、重新配置或重新校準(zhǔn)傳感器。隨著時(shí)間的推移，技術(shù)不斷進(jìn)步，傳感器制造商開(kāi)始將更多功能集成到這些設(shè)備中，同時(shí)通過(guò)二進(jìn)制傳感器降低噪聲敏感性。在二進(jìn)制傳感器中，數(shù)據(jù)仍僅限于單向通信，工廠車(chē)間仍需要技術(shù)人員來(lái)處理手動(dòng)校準(zhǔn)等任務(wù)。

IO-Link 的出現(xiàn)通過(guò)允許傳感器和控制器之間的雙向通信將智能帶到了工廠車(chē)間的邊緣（圖 2）。借助此功能，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整、配置和診斷傳感器——這正是滿足工業(yè) 4.0 和智能工廠的需求所需要的。

與為單一產(chǎn)品建造和優(yōu)化的傳統(tǒng)工廠不同，智能工廠旨在快速適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。實(shí)時(shí)診斷功能有助于預(yù)測(cè)性維護(hù)，并可以延長(zhǎng)工廠正常運(yùn)行時(shí)間。

圖 2. 帶有 IO-Link 傳感器的 PLC

智能傳感器的智能特性增加了這些傳感器的功耗。與此同時(shí)，工業(yè)設(shè)備制造商也有向小型化方向發(fā)展的趨勢(shì)。這意味著為智能傳感器供電需要解決熱量和尺寸方面的挑戰(zhàn)。為了說(shuō)明這些挑戰(zhàn)，讓我們考慮一個(gè)帶有 IO-Link 的智能接近傳感器（圖 3）。在此應(yīng)用中，微控制器從傳感元件收集數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行線性化和校準(zhǔn)，然后將其發(fā)送到 IO-Link 收發(fā)器。從這里，數(shù)據(jù)被發(fā)送到系統(tǒng) PLC。IO-Link 連接器還提供 24V 為傳感器供電。

圖 3. 帶有 IO-Link 的智能接近傳感器示例

傳感器電路的傳統(tǒng)電源解決方案將涉及低壓差線性穩(wěn)壓器 （LDO）。讓我們看看傳感器電路、電源和整個(gè)設(shè)備的功耗。老式模擬傳感器電路通常消耗大約 15mA。24V 工業(yè)電源軌最高可達(dá) 30VDC。功耗如下：

I O = 15mA，Vi = 30V（最大值）

P Sensor = VoxIo = 75mW

P SUP = P LDO = （Vi – Vo） xIo = 375mW

P Device = P Sensor + P LDO = 450mW

在本例中，只有 75mW 用于實(shí)際工作（為傳感器電路供電），而 LDO 由于效率低下而損失了 375mW。我們的設(shè)備必須消耗 450mW 的總功率。為傳感器添加更多智能功能將需要更多電流，這對(duì)于設(shè)備的功耗來(lái)說(shuō)不是好消息。使用上面的計(jì)算，如果我們將傳感器電路電流增加到 30mA，則：I O = 30mA，P Sensor = 150mW，P SUP = 750mW，P Device = 900mW。900mW 超過(guò)了大多數(shù)小型接近傳感器的功耗限制。所以，散熱是個(gè)大問(wèn)題。

傳統(tǒng) LDO 電源解決方案的替代方案是使用小型 DC-DC 電源模塊。如圖 4 所示，在 15mA 傳感器電流和保守的 75% 效率下，DC-DC 電源模塊的功率損耗僅為 25mW。這有助于將總器件功耗從 450mW 降至 100mW，功耗降低 4.5 倍。

圖 4. 電源耗散 - LDO 與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案

由于 DC-DC 電源模塊的高效率，傳感器可以支持更多的電路和功能，因?yàn)闊崃孔钚』⒅С指嗟膫鞲衅麟娏鳌?a target="_blank">Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列提供了一些非常適合微型傳感器的電源模塊示例：MAXM17532是一款 100mA 超緊湊型寬輸入電壓 uSLIC 器件，以及MAXM17552可在高達(dá) 60V 的輸入電壓下工作。這些緊湊型模塊可節(jié)省空間、減少熱量并有助于簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)。

隨著工業(yè) 4.0 繼續(xù)推動(dòng)對(duì)智能傳感器的需求，借助高度集成的 DC-DC 電源模塊，解決為這些傳感器供電的挑戰(zhàn)現(xiàn)在變得更加容易。

審核編輯：郭婷