如何有效地為微型工業(yè)傳感器供電

在當今日益自動化和電氣嚴苛的工業(yè)環(huán)境中，您會發(fā)現傳感器隨處可見。它們變得越來越復雜，但也越來越小。它們的復雜性需要板載開關穩(wěn)壓器來更有效地提供電力，以最大限度地減少熱量產生。然而，挑戰(zhàn)也存在：當這些微型傳感器在高壓工業(yè)環(huán)境中運行時，如何安全地為它們提供低壓電源？您如何在保持解決方案尺寸小并最大化效率的同時做到這一點？

安全供電

傳感器“盒子”包括一個前端收發(fā)器，用于處理數據并將電源路由到降壓轉換器，該轉換器為 ASIC/微控制器/FPGA 和傳感元件提供適當的電壓。傳感器通常由 24V 直流電源 （V BUS ） 供電。圖 2顯示了電源路徑。

圖 2. 傳感器電源系統(tǒng)

在電源管理方面，工廠車間可能是非常具有挑戰(zhàn)性的地方。考慮到這些環(huán)境中的長電纜和強電磁干擾，高壓瞬變比比皆是。因此，傳感器內部的降壓轉換器必須承受遠高于傳感器工作電壓的瞬態(tài)電壓。

典型的傳感器電源管理解決方案利用瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 來限制前端降壓轉換器的輸入電壓 （V CC ）。相關的輸入電流峰值被電阻 R P 降低，電阻 R P是電壓瞬變源 （V BUS ） 和傳感器之間的電氣路徑中的寄生或物理元件。

為了說明我們的觀點，讓我們考慮從 LittelfuseTM 目錄中選擇 TVS。圖 3顯示了 TVS 的一般特性。

圖 3. 傳感器電源系統(tǒng)中的 TVS VI 特性

TVS 器件處于開路狀態(tài)，直到其兩端的電壓達到 V BR。此時，它開始傳導電流，同時其電壓略微上升到其最大鉗位電壓 V C，這對應于最大允許峰值脈沖電流 I PP。乘積 V C x I PP是 TVS 可以處理的最大峰值功率（此 TVS 系列為 400W）。

為有效保護，TVS V BR必須選擇高于 V CC（MAX）而 V C必須低于開關穩(wěn)壓器輸入電壓擊穿電壓。

理想情況下，對于額定電壓為 60V 的降壓轉換器，可以使用最小 V BR為 33V 的 SMAJ33A（鉗位電壓 V C為 53.3V，遠低于 60V）。這給出了高于 V BUS（MAX） 6.6V和低于 60V 6.7V 的工作裕度（圖 4）。

圖 4. 理想的 TVS 選擇

現在，讓我們考慮一種解決空間限制的獨特新方法：將電感器垂直集成在 IC 頂部。MAXM15064 Himalaya uSLIC 模塊可在 -40°C 至 +125°C 的寬溫度范圍內工作，采用扁平、緊湊、10 引腳、2.6mm x 3mm x 1.5mm 封裝。

圖 5顯示了使用 300mA、60V 降壓轉換器模塊實現的顯著尺寸減小。電感器的垂直集成使得組件的凈面積僅為 21mm 2。

圖 5. MAXM15064 Himalaya uSLIC 模塊中電感器的垂直集成可顯著減小尺寸。

概括

工業(yè) 4.0 技術正在使工廠和其他工業(yè)環(huán)境能夠以更少的人為干預做更多的事情。智能傳感器在這方面發(fā)揮著關鍵作用，但它們帶來了獨特的電源管理挑戰(zhàn)。uSLIC 電源模塊是一款微型、高效、低 EMI 降壓轉換器，非常適合為微型傳感器供電，從而使工業(yè)應用栩栩如生。