【導(dǎo)讀】如果您的工作涉及到為智能工廠應(yīng)用設(shè)計工業(yè)傳感器,那么您肯定常常遇到與功率密度的相關(guān)挑戰(zhàn)。一方面,傳感器外殼不斷縮小,而另一方面,每個人都希望傳感器具備更多特性。即使您成功將電子元件安裝到傳感器內(nèi),另一個看不見的因素也可能會導(dǎo)致您的設(shè)備失效,那就是熱量形式的功率耗散。
許多工業(yè)傳感器使用的是M8或更大的M12電纜連接器(圖1),這會影響傳感器外殼的尺寸,進(jìn)而影響其散發(fā)的熱量。IO-link可以為傳感器帶來所需的智能特性,但要解決熱量問題,您需要知道在選用收發(fā)器時的注意事項(xiàng)。在本文中,我們會提供一些實(shí)用的設(shè)計技巧,以幫助您做出正確的選擇。
圖1 - 帶M12連接器的工業(yè)傳感器
IO-Link傳感器的功耗預(yù)算
假設(shè)您要使用M8連接器設(shè)計總功耗不超過400mW,或使用M12連接器設(shè)計總功耗不超過600mW的IO-Link傳感器。
除了變送器(壓力/溫度/距離)之外,您的傳感器通常還包括以下內(nèi)容:
● 模擬前端(AFE)
● 微控制器
● 狀態(tài)LED
● 電纜驅(qū)動器輸出級
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,此電壓常常會高出25%。雖然這些電壓電平可以安全地用于為輸出驅(qū)動級供電,但AFE、LED和微控制器需要低得多的電壓(通常為2.5V至5V)才能運(yùn)行。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對功耗產(chǎn)生重大影響。例如,考慮以下功耗預(yù)算,一個小型傳感器從L+直流電源軌僅消耗15mA的電流。LDO的工作方式效率低下,使用M8連接的外殼時,這種相對低功耗的傳感器的功耗會超過大約400mW的功耗預(yù)算,因此您別無選擇,只能使用更大的M12。使用30mA傳感器時的情況更糟糕,總功耗會達(dá)到1000mW,超過M12連接外殼的目標(biāo)功耗。
圖2 - LDO供電傳感器的功耗預(yù)算
降低功耗的一種方法是用DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器代替LDO。例如,使用3V DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器為30mA傳感器供電的話,只需要90mW的功率。假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率為90%(也就是說功率損耗為9mW),則傳感器的總功耗約為200mW(圖3)。 顯然,使用DC-DC轉(zhuǎn)換器幫助將功耗降低近80%,但這需要使用額外的外部電路(體積較大的分立元件,如電感、二極管和電容),這些元件甚至可能無法裝入傳感器外殼中。
圖3 - 使用DC-DC轉(zhuǎn)換器與使用LDO的功耗比較
二合一收發(fā)器
更好的整體解決方案是集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的IO-Link收發(fā)器,例如MAX22513(圖4)。該IC的電流高達(dá)300mA,輕松超過IO-Link的額定最小值200mA,并且輸出電壓可編程(2.5V至12V)。它還包括一個輔助IO-Link通道,當(dāng)數(shù)據(jù)在C/Q通道上傳輸時,輔助通道可用于DI/DO傳感器切換。此外,該收發(fā)器集成了浪涌保護(hù)(高達(dá)±1kV/500Ω)電路,因此無需外部TVS二極管即可提供穩(wěn)健的性能。
圖4 - 集成DC-DC的MAX22513 IO-Link收發(fā)器
盡管具備這些額外的特性,這款WLP器件的總面積也僅為2.1 × 4.1mm。MAX22514是MAX22513的另一版本,采用更小的WLP封裝,尺寸僅為2.5 x 2.6 mm,適用于空間更加受限的傳感器。方便的是,這兩種收發(fā)器也可用于IO-Link器件和IO-Link主機(jī)的設(shè)計。
MAX22513和MAX22514為智能工廠傳感器的空間與功耗難題帶來了切實(shí)可行的解答方案!
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