克服智能工廠傳感器中的功耗與空間難題

Brian Condell and Michael Jackson

如果您從事為智能工廠應(yīng)用設(shè)計(jì)工業(yè)傳感器的業(yè)務(wù)，那么功率密度是您日常挑戰(zhàn)之一。一方面，傳感器外殼正在縮小，但另一方面，每個(gè)人都希望它們具有更多功能。即使您可以將電子設(shè)備物理地安裝在傳感器外殼內(nèi)，還有另一個(gè)看不見的因素可能導(dǎo)致您的設(shè)備出現(xiàn)故障——熱量形式的功耗。許多工業(yè)傳感器使用 M8 或更大的 M12 電纜連接器，這會(huì)影響傳感器外殼的尺寸，從而影響其可以散發(fā)的熱量。IO-link 為您的傳感器提供所需的智能，但要解決發(fā)熱問題，您需要知道在決定使用哪種收發(fā)器時(shí)要注意什么。在本博客中，我們?yōu)槟峁┝艘恍┯杏玫脑O(shè)計(jì)技巧，以幫助您做出正確的選擇。

IO-Link 傳感器的功率預(yù)算

假設(shè)您要設(shè)計(jì)一個(gè)總功耗不超過 400mW 的 IO-Link 傳感器（例如，如果使用 M8 連接器）或 600mW 的 M12（例如）。

除了傳感器（壓力/溫度/接近度）外，傳感器通常還包括以下內(nèi)容：

模擬前端，

微控制器

狀態(tài)指示燈

電纜驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)

工業(yè)傳感器使用24VDC（典型值）電壓，但在惡劣的工廠環(huán)境中，該電壓通常會(huì)攀升至高出25%的水平。雖然這些電壓電平可以安全地用于為輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)供電，但AFE、LED和微控制器需要低得多的電壓（通常為2.5V至5V）才能工作。許多 IO-Link 收發(fā)器提供線性穩(wěn)壓輸出 （LDO） 電壓，但使用該電壓為這些電路供電會(huì)對(duì)功耗產(chǎn)生重大影響。例如，考慮以下功率預(yù)算，用于僅從L+ DC電源軌吸收15mA電流的小型傳感器。由于LDO工作方式固有的低效率，這種相對(duì)低功耗的傳感器超過了M400連接外殼的~8mW功率預(yù)算，這意味著除了使用更大的M12之外別無選擇。30mA傳感器會(huì)更糟 - 總功耗為1000mW，超過了M12連接外殼的目標(biāo)數(shù)字。

圖2 - LDO供電傳感器的功率預(yù)算

降低功耗的一種方法是使用 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器而不是 LDO。例如，使用3V DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器為30mA傳感器供電將僅使用90mW的功率。假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率為 90%（意味著 9mW 的功率損耗），傳感器的總功耗約為 200mW（圖 3）。顯然，使用DC-DC轉(zhuǎn)換器有助于將功耗降低近80%，但這是以使用額外的外部電路（笨重的分立元件，如電感器、二極管和電容器）為代價(jià)的，這些電路甚至可能不適合傳感器外殼。

圖3 - 使用DC-DC轉(zhuǎn)換器與LDO的功耗比較

二合一收發(fā)器

最好的整體解決方案是集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的IO-Link收發(fā)器，如MAX22513（圖4）。該 IC 可從可編程輸出電壓 （300.200V 至 2V） 提供高達(dá) 5mA （舒適地超過 IO-Link 規(guī)定的最小 12mA）。它還包括一個(gè)輔助 IO Link 通道，可用于在 C/Q 通道上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)切換 DI/DO 傳感器。此外，該收發(fā)器還集成了浪涌保護(hù)（高達(dá) ±1kV/500Ω）電路，這意味著您無需外部 TVS 二極管即可獲得強(qiáng)大的性能。

圖4 - MAX22513 IO-Link收發(fā)器，集成DC-DC

即使具有所有這些額外功能，這款WLP設(shè)備的整體面積也僅為2.1×4.1mm。對(duì)于空間受限的傳感器，MAX22514是MAX22513的變體，具有更小的WLP，尺寸僅為2.5 x 2.6 mm。方便的是，這兩個(gè)收發(fā)器也可用于IO-Link設(shè)備和IO-Link主站的設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷