让您的大电流传感器引领IO-Link革命

工业4.0正在使工业自动化技术更接近工厂车间的边缘。在本设计方案中，我们展示了集成DC-DC转换器的MAX22513浪涌保护IO-Link收发器如何降低大电流工业传感器的功耗和元件面积。

每一场名副其实的革命都应该得到同样值得的 座右铭。“自由，平等，博爱”被法国人选中。 第四次工业革命（谢天谢地没有流血事件 或冲突）可能会对 人民的生命比任何政治革命都要多。可以说 “智力，适应性，功效”可能使合适的 工业 4.0 的口号，因为这场革命是 经常提到。

不管你是否认为这是一个有价值的口号，它不可能是 对这些条款中的每一个都适用于 IO-Link 技术，是该行业的先锋 革命，正在促进更智能、更具适应性和 工厂车间的工业传感器效率越来越高。为 工业系统设计师，无情的挑战是 确保这种提高的性能不会在 增加功率或散热的费用，以及 因此增加了传感器尺寸。在这个设计解决方案中，我们 查看设计大电流时的功率约束， 小型外壳 IO-Link 传感器，可在恶劣的无风扇环境中运行 工业环境。在考虑妥协之后 遇到现有解决方案，我们提出了一个新的 IO-Link 收发器 IC 克服了这些限制，同时 同时提高设计灵活性和改进 传感器坚固性。®

什么是 IO-Link？

IO-Link 是一种标准化技术 （IEC 61131-9），用于调节 工业系统中的传感器和执行器如何与 一个控制器。它是点对点通信链路 标准化连接器、电缆和协议。The IO-Link 系统设计用于在行业标准的3线内工作 传感器和执行器基础设施，由“IO-Link”组成 主设备“和”IO-Link 设备“产品（图 2）。

图2.IO-Link 主/设备接口

引脚 1 （L+， 24V） 和 3 （L-， 0V） 用于电源，而引脚 4 （C/Q） 根据需要传输通信或交换信息。 引脚 2 可以保持未连接 （NC），也可以配置为 用作数字输入 （DI） 或数字输出 （DO） 以提供 C/Q引脚用于传输时的开关信息 传入/传出 IO-Link 传感器的数据。IO-Link 标准规定 通信必须在 20 米以内且未屏蔽 使用工业通用标准连接器的电缆 系统。主设备与从设备之间的通信是 具有 3 种传输速率的半双工：COM1 4800 波特， COM2 38.4k 波特，COM3 230.4k 波特。IO-Link 设备 仅支持一种数据速率，而 IO-Link 主站必须 支持所有三种数据速率。

中联传感器设计

大多数工业传感器使用M8或更大的M12（图） 3）电缆连接器。使用的连接器类型将影响 传感器的外壳尺寸以及因此的热量 可以消散。在下面的示例中，我们将设计 总功耗不会 如果使用 M8 连接器，则超过 400mW，如果使用 使用 M12 连接器的传感器。

除换能器（压力/温度/接近度）外， IO-Link 工业传感器通常还包括一个模拟传感器 前端 （AFE）、微控制器、状态 LED，可能还有 驱动执行器响应传感器的输出级 读数。工业传感器使用24VDC信号电压，但 在恶劣的工厂环境中，这一比例可能高出 50%。 虽然这些电压电平可以安全地用于为 输出驱动器级、AFE、LED 和微控制器需要 工作电压低得多（3V至5V）。许多 IO 链路 收发器以线性稳压方式提供这些电压电平 输出。但是，使用它们的决定可能会产生负面影响 对传感器整体功耗的影响（以及 因此，散热）。如果 低效板载LDO电路用于提供电流 对于这些输出。例如，考虑以下功率 仅消耗15mA电流的小型传感器的预算 通过 LDO，由（典型值）30V 直流电源轨供电，如图所示 在图 4 中。

图4.典型 IO 链路传感器的功率预算 （mW）

由于LDO内部的高损耗，这种相对较低的功率 传感器已超过~400mW功率预算 在典型的 M8 连接传感器中耗散，因此， 需要更大的 M12 连接外壳。图的 还表明，传感器仅消耗30mA的电流将 耗散900mW，甚至超过了M12的目标数字 连接器传感器。

常规解决方案

为了降低整体功耗（和散热）， 最常见的解决方案是使用外部 DC-DC 降压 转换器，为收发器上的线性稳压器供电。为 例如，DC-DC降压转换器为30mA传感器供电 采用 3V 输出电压时功耗仅为 90mW。若 转换器的效率为 90%（即仅 9mW 功率损耗）， 总功耗仅为 90 + 9 = 99mW。清楚 功耗降低约 9 倍 与使用 LDO （900mW） 相比。包括 输出级消耗的功率（100mW），总功率 功率降低为 1000mW/199mW，或大约 系数为 5，如图 5 所示。

图5.使用降压转换器降低功耗与LDO的比较

显然，传感器的整体功耗 （~200mW）现在远低于传感器的目标数字 使用任一类型的连接器。但是，这种功率降低是 仅以牺牲额外的外部电路（即 DC-DC转换器和电感器等笨重的分立器件， 二极管和电容器），这增加了 传感器。典型的 IO-Link 收发器解决方案需要 如图6所示，组件面积为16.5mm2，其中 DC-DC 转换器比 IO-Link 消耗更多的面积 收发器本身。为了防止电压浪涌，一些 收发器可能还需要外部TVS二极管， 进一步增加元件（和电路板）面积。

图6.典型的 IO 链路收发器解决方案

集成双通道收发器

图7所示的IO-Link收发器IC具有多个 与传统方法相比的优势。 首先，一个反极性保护降压DC-DC转换器 已完全集成到IC封装中，这意味着 不需要单独的 DC-DC 转换器 IC。这 转换器可提供高达300mA的输出电流 （用于大电流传感器应用），2.5V至12V 可编程输出电压。其次，与大多数其他不同 IO-Link收发器，IC还包括第二个（双） IO-Link 通道，可用于 DI/DO 传感器切换 当数据在 C/Q 通道上传输时。尽管 包含这些额外功能，整体封装尺寸 在 WLP 中仅为 2.1 × 4.1 = 8.6mm2。这代表几乎 组件面积减少 50%。此外，坚固的传感器 在恶劣工业环境中的性能由 集成浪涌保护（高达 1kV/500O）电路 无需外部TVS二极管。

图7.MAX22513双通道IO-Link收发器

结论

在此设计解决方案中，我们回顾了电源约束 在为恶劣的无风扇工业设计 IO-Link 传感器时 环境。我们已经证明，使用 LDO 供电 传感器电流并不总是高电流的可行选择 传感器，因为它大大增加了功耗。直到现在， 减少散热的唯一解决方案是 使用单独的DC-DC降压转换器IC，但这来了 需要注意的是，要增加整体传感器尺寸。然而 MAX22513浪涌保护双驱动器IO-Link器件 收发器现在为大电流提供完全集成的替代方案 传感器，提供更大的灵活性，结合 强大的性能，更小的外形。

审核编辑：郭婷