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使用IO-link克服智能工厂传感器的功耗与空间难题

发布时间:2023-06-09 来源:ADI 责任编辑:wenwei

【导读】如果您的工作涉及到为智能工厂应用设计工业传感器,那么您肯定常常遇到与功率密度的相关挑战。一方面,传感器外壳不断缩小,而另一方面,每个人都希望传感器具备更多特性。即使您成功将电子元件安装到传感器内,另一个看不见的因素也可能会导致您的设备失效,那就是热量形式的功率耗散。


许多工业传感器使用的是M8或更大的M12电缆连接器(图1),这会影响传感器外壳的尺寸,进而影响其散发的热量。IO-link可以为传感器带来所需的智能特性,但要解决热量问题,您需要知道在选用收发器时的注意事项。在本文中,我们会提供一些实用的设计技巧,以帮助您做出正确的选择。


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图1 - 带M12连接器的工业传感器


IO-Link传感器的功耗预算


假设您要使用M8连接器设计总功耗不超过400mW,或使用M12连接器设计总功耗不超过600mW的IO-Link传感器。


除了变送器(压力/温度/距离)之外,您的传感器通常还包括以下内容:


●  模拟前端(AFE)

●  微控制器

●  状态LED

●  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,此电压常常会高出25%。虽然这些电压电平可以安全地用于为输出驱动级供电,但AFE、LED和微控制器需要低得多的电压(通常为2.5V至5V)才能运行。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,考虑以下功耗预算,一个小型传感器从L+直流电源轨仅消耗15mA的电流。LDO的工作方式效率低下,使用M8连接的外壳时,这种相对低功耗的传感器的功耗会超过大约400mW的功耗预算,因此您别无选择,只能使用更大的M12。使用30mA传感器时的情况更糟糕,总功耗会达到1000mW,超过M12连接外壳的目标功耗。


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图2 - LDO供电传感器的功耗预算


降低功耗的一种方法是用DC-DC降压转换器代替LDO。例如,使用3V DC-DC降压转换器为30mA传感器供电的话,只需要90mW的功率。假设转换器的效率为90%(也就是说功率损耗为9mW),则传感器的总功耗约为200mW(图3)。 显然,使用DC-DC转换器帮助将功耗降低近80%,但这需要使用额外的外部电路(体积较大的分立元件,如电感、二极管和电容),这些元件甚至可能无法装入传感器外壳中。


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图3 - 使用DC-DC转换器与使用LDO的功耗比较


二合一收发器


更好的整体解决方案是集成DC-DC转换器的IO-Link收发器,例如MAX22513(图4)。该IC的电流高达300mA,轻松超过IO-Link的额定最小值200mA,并且输出电压可编程(2.5V至12V)。它还包括一个辅助IO-Link通道,当数据在C/Q通道上传输时,辅助通道可用于DI/DO传感器切换。此外,该收发器集成了浪涌保护(高达±1kV/500Ω)电路,因此无需外部TVS二极管即可提供稳健的性能。


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图4 - 集成DC-DC的MAX22513 IO-Link收发器


尽管具备这些额外的特性,这款WLP器件的总面积也仅为2.1 × 4.1mm。MAX22514是MAX22513的另一版本,采用更小的WLP封装,尺寸仅为2.5 x 2.6 mm,适用于空间更加受限的传感器。方便的是,这两种收发器也可用于IO-Link器件和IO-Link主机的设计。


MAX22513和MAX22514为智能工厂传感器的空间与功耗难题带来了切实可行的解答方案!



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