克服智能工厂传感器中的功耗与空间难题的方法（克服智能工厂传感器中的功耗与空间难题）

布莱恩康德尔和迈克尔杰克逊

如果您从事为智能工厂应用设计工业传感器的业务，功率密度是您的日常挑战之一。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发生故障—— 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，从而影响其散发的热量。 IO-link 为您的传感器提供所需的智能，但为了解决加热问题，您需要知道在决定使用哪个收发器时要考虑什么。在这篇博客中，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（例如，如果使用M8 连接器）或M12 不超过600mW（例如）的IO-Link 传感器。

除了传感器（压力/温度/接近度）之外，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），但在恶劣的工厂环境中，该电压通常会攀升至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 收发器提供线性调节输出(LDO) 电压，但使用该电压为这些电路供电可能会对功耗产生重大影响。例如，请考虑以下小型传感器的功率预算，该传感器仅从L+ DC 电源轨汲取15mA 电流。由于LDO 工作方式固有的低效率，这种功耗相对较低的传感器超过了M400 连接外壳的约8mW 功率预算，这意味着别无选择，只能使用更大的M12。 30mA 传感器会更糟- 总功耗为1000mW，超过了M12 连接外壳的目标值。

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 传感器供电仅消耗90mW 功率。假设转换器效率为90%（意味着功耗为9mW），则传感器的总功耗约为200mW（图3）。显然，使用DC-DC 转换器有助于降低近80% 的功耗，但这是以使用额外的外部电路（电感器、二极管和电容器等庞大的分立元件）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

最佳整体解决方案是带有集成DC-DC 转换器的IO-Link 收发器，例如MAX22513（图4）。该IC 可以通过可编程输出电压（300.200V 至2V）提供高达5mA 的电流（轻松超过IO-Link 指定的最小值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/500）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 - 集成DC-DC 的MAX22513 IO-Link 收发器

即使具有所有这些额外功能，该WLP 器件的整体面积也仅为2.14.1mm。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。

审稿编辑：郭婷