防浪涌您的工業(yè)傳感器

現(xiàn)代工業(yè)傳感器必須在惡劣和苛刻的工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行，在這些環(huán)境中，它們?nèi)菀资艿酱罄擞侩妷汉?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械應(yīng)力的影響。這對他們使用的直流電源提出了相當(dāng)大的要求。在介紹使用uSLIC?電源模塊的最穩(wěn)健、可靠和高效的解決方案之前，我們考慮了設(shè)計(jì)這種直流電源的不同方法的優(yōu)點(diǎn)。

介紹

工業(yè)傳感器繼續(xù)變得越來越小、越來越智能，而它們的工作環(huán)境也越來越大，要求越來越高。由于數(shù)以千計(jì)的設(shè)備彼此靠近運(yùn)行，它們的電源很快就會被交叉污染。因此，調(diào)節(jié)電壓電平可能與其標(biāo)稱值只有模糊的相似之處。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行的傳感器所面臨的挑戰(zhàn)、常見的緩解解決方案及其局限性。然后，我們提出了一種更簡單的解決方案，可以在更小的區(qū)域內(nèi)提供更高的魯棒性和可靠性。

傳感器環(huán)境

工業(yè)傳感器用于監(jiān)控工業(yè)過程中目標(biāo)數(shù)量的狀態(tài)。例如，顯示了用于檢測生產(chǎn)線上原材料移動的接近傳感器。使用傳感器測量的其他量的示例包括溫度和壓力。

傳感器可能位于工廠車間的任何地方。它們本質(zhì)上是模擬或數(shù)字的，通常從隔離的 24V 直流電壓源接收電源。控制器（通常是 PLC）通過數(shù)字或模擬 I/O 模塊接收來自傳感器的信息，并向 通過現(xiàn)場總線執(zhí)行器。許多現(xiàn)代傳感器都包括一個(gè)IO-Link接口，可以持續(xù)監(jiān)控傳感器的狀態(tài)，有助于提高工廠吞吐量并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)制造。IO-Link 允許在傳感器級別做出決策，無需等待 PLC。 圖2所示為典型的工業(yè)傳感器系統(tǒng)。?

圖2.典型的工業(yè)傳感器系統(tǒng)。

該接口處理數(shù)據(jù)傳輸，并將 24V DC 電源路由至降壓穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器向微控制器和檢測元件提供 5V 或 3.3V 電壓。然而，24V至5V/3.3V下變頻是一個(gè)在功率損耗和空間占用方面可能代價(jià)高昂的步驟，并且可能需要冗長的定制設(shè)計(jì)。此外，工廠車間可能是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，長電纜和強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器必須能夠承受遠(yuǎn)高于傳感器工作電壓（高達(dá)50V）的電壓瞬變。

傳統(tǒng)LDO解決方案

如果傳感器電流消耗較小，則通常會考慮LDO解決方案，因?yàn)樗哂行〕叽绾鸵子谠O(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。然而，該解決方案的耗散率僅為21% （5V/24V）。如果電流很高，就像現(xiàn)代傳感器一樣（通常消耗10mA或更高的電流），那么這種解決方案需要一個(gè)笨重的散熱器，LDO的尺寸優(yōu)勢就消失了。

切換臺解決方案

LDO最常見的替代方案是使用高效開關(guān)穩(wěn)壓器，例如帶有分立電感器、電容器和電阻器的降壓穩(wěn)壓器IC。它們具有更高的效率，因此散熱更少的優(yōu)點(diǎn) - 隨著傳感器在不斷縮小的外殼中包裝更多功能，這一點(diǎn)變得越來越重要。然而， 這些可能需要知識密集型， 耗時(shí)的定制設(shè)計(jì)以及仔細(xì)的 PCB 布局以最小化空間.

最近，穩(wěn)壓器“模塊”已經(jīng)問世，它將降壓轉(zhuǎn)換器IC和電感器封裝在一個(gè)封裝中。圖3顯示了此類典型解決方案的元件布局（總元件面積為47.2mm）2).

圖3.降壓轉(zhuǎn)換器模塊組件布局。

該模塊可在最大 40V 直流輸入下工作。雖然這似乎比標(biāo)稱 24V DC 電源提供了很大的裕量，但如果發(fā)生超過此電壓的瞬態(tài)電壓，它將無法正常工作。TVS二極管通常用于保護(hù)IC免受瞬態(tài)浪涌電壓的影響，但在這種情況下，它不是一個(gè)合適的選擇。為了使穩(wěn)壓器在其最大工作電壓（40V）下不受阻礙地工作，TVS的反向擊穿電壓必須接近該值。一個(gè)這樣的TVS符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（SMAJ33A）。但是，其最大鉗位電壓為53V，在高能量浪涌的情況下可能會達(dá)到。在此電壓下出現(xiàn)浪涌時(shí)，穩(wěn)壓器將不再工作，并可能損壞。

更高的電壓裕量

為了使傳感器在高達(dá)50V的浪涌電壓下受到保護(hù)，顯然需要一個(gè)能夠達(dá)到此水平的穩(wěn)壓器。圖 4 顯示了滿足此標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

圖4.MAXM17552 μSLIC 5V外，100mA降壓解決方案。

這款微型系統(tǒng)級 IC （uSLIC?） 可在 4V 至 60V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，可提供 100mA 的輸出電流和 0.9V 至 5V 的穩(wěn)壓輸出電壓。此外，如圖5所示，該穩(wěn)壓器的效率超過80%（在24V輸入電壓下），而總元件面積僅為14.3mm2.與以前的解決方案相比，這幾乎節(jié)省了 66% 的面積。

圖5.MAXM17552電源效率。

穩(wěn)健的環(huán)境

同樣重要的是，電源能夠承受機(jī)械應(yīng)力。該模塊符合JESD22-B103/B104/B111跌落、沖擊和振動標(biāo)準(zhǔn)。此外，打嗝過流和過熱保護(hù)，加上 -40°C 至 +125°C 的工作溫度范圍，使該模塊在最惡劣的工業(yè)、汽車、醫(yī)療和軍事環(huán)境中具有魯棒性。對于更高的負(fù)載（300mA），也采用高達(dá)60V的輸入電壓工作，MAXM15064喜馬拉雅uSLIC模塊提供2.6mm×3mm封裝。

結(jié)論

我們已經(jīng)討論了在更小的工業(yè)傳感器中快速提供更高功率、更高效、產(chǎn)生最少熱量的挑戰(zhàn)。我們 了解 了 典型 LDO 解決方案 如何 存在 效率 不足 的 問題， 而 使用 開關(guān) 穩(wěn)壓器 IC 的 定制 設(shè)計(jì) 可能 困難 且 耗時(shí)。我們還展示了最大輸入電壓為 40V 的電源模塊對于現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境來說不夠堅(jiān)固。作為解決方案，我們展示了兩個(gè)堅(jiān)固耐用的電源模塊，輸入電壓范圍為60V，可以在最苛刻的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。除工業(yè)傳感器外，它們還適用于電機(jī)編碼器、HVAC 和樓宇控制應(yīng)用。

審核編輯：郭婷