克服智能工厂传感器中的功耗与空间难题

Brian Condell and Michael Jackson

如果您从事为智能工厂应用设计工业传感器的业务，那么功率密度是您日常挑战之一。一方面，传感器外壳正在缩小，但另一方面，每个人都希望它们具有更多功能。即使您可以将电子设备物理地安装在传感器外壳内，还有另一个看不见的因素可能导致您的设备出现故障——热量形式的功耗。许多工业传感器使用 M8 或更大的 M12 电缆连接器，这会影响传感器外壳的尺寸，从而影响其可以散发的热量。IO-link 为您的传感器提供所需的智能，但要解决发热问题，您需要知道在决定使用哪种收发器时要注意什么。在本博客中，我们为您提供了一些有用的设计技巧，以帮助您做出正确的选择。

IO-Link 传感器的功率预算

假设您要设计一个总功耗不超过 400mW 的 IO-Link 传感器（例如，如果使用 M8 连接器）或 600mW 的 M12（例如）。

除了传感器（压力/温度/接近度）外，传感器通常还包括以下内容：

模拟前端，

微控制器

状态指示灯

电缆驱动器输出级

工业传感器使用24VDC（典型值）电压，但在恶劣的工厂环境中，该电压通常会攀升至高出25%的水平。虽然这些电压电平可以安全地用于为输出驱动器级供电，但AFE、LED和微控制器需要低得多的电压（通常为2.5V至5V）才能工作。许多 IO-Link 收发器提供线性稳压输出 （LDO） 电压，但使用该电压为这些电路供电会对功耗产生重大影响。例如，考虑以下功率预算，用于仅从L+ DC电源轨吸收15mA电流的小型传感器。由于LDO工作方式固有的低效率，这种相对低功耗的传感器超过了M400连接外壳的~8mW功率预算，这意味着除了使用更大的M12之外别无选择。30mA传感器会更糟 - 总功耗为1000mW，超过了M12连接外壳的目标数字。

图2 - LDO供电传感器的功率预算

降低功耗的一种方法是使用 DC-DC 降压转换器而不是 LDO。例如，使用3V DC-DC降压转换器为30mA传感器供电将仅使用90mW的功率。假设转换器的效率为 90%（意味着 9mW 的功率损耗），传感器的总功耗约为 200mW（图 3）。显然，使用DC-DC转换器有助于将功耗降低近80%，但这是以使用额外的外部电路（笨重的分立元件，如电感器、二极管和电容器）为代价的，这些电路甚至可能不适合传感器外壳。

图3 - 使用DC-DC转换器与LDO的功耗比较

二合一收发器

最好的整体解决方案是集成DC-DC转换器的IO-Link收发器，如MAX22513（图4）。该 IC 可从可编程输出电压 （300.200V 至 2V） 提供高达 5mA （舒适地超过 IO-Link 规定的最小 12mA）。它还包括一个辅助 IO Link 通道，可用于在 C/Q 通道上传输数据时切换 DI/DO 传感器。此外，该收发器还集成了浪涌保护（高达 ±1kV/500Ω）电路，这意味着您无需外部 TVS 二极管即可获得强大的性能。

图4 - MAX22513 IO-Link收发器，集成DC-DC

即使具有所有这些额外功能，这款WLP设备的整体面积也仅为2.1×4.1mm。对于空间受限的传感器，MAX22514是MAX22513的变体，具有更小的WLP，尺寸仅为2.5 x 2.6 mm。方便的是，这两个收发器也可用于IO-Link设备和IO-Link主站的设计。

审核编辑：郭婷