利用IO-Link技術實現小型高能效的工業(yè)傳感器

無論過去還是現在，許多情況下，工業(yè)傳感器都采用模擬形態(tài)，其中包含檢測元件和將檢測數據傳輸至控制器的某種方式。數據采用單向模擬方式進行傳輸。之后出現了可提供數字開/關信號的二進制傳感器，包含電感、電容、超聲波、光電等檢測元件，以及半導體開關元件。其輸出可能是：高端（HS）開關（PNP）或低端（LS）開關（NPN），或者是推挽式（PP）。但數據仍然受到限制，只能從傳感器單向傳輸至主機，不提供糾錯控制，仍然需要現場技術人員來執(zhí)行手動校準等任務。因此，業(yè)界亟需一種更好的解決方案來滿足“工業(yè)4.0”、智能傳感器和可重新配置的廠區(qū)部署等需求。

時下獲得公認的解決方案是IO-Link協議，一種相對較新的工業(yè)傳感器標準，目前已呈現出迅速增長態(tài)勢。據IO-Link相關組織預測，截至當前，行業(yè)使用支持IO-Link標準的節(jié)點已超過1600萬個，而這個數字仍再不斷攀升。

圖1：據 IO-Link聯盟跟蹤顯示，IO-Link協議應用快速增長（https://io-link.com/en/）

IO-Link是一種標準化技術（IEC 61131-9），規(guī)定工業(yè)系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器如何與控制器交互。作為一種點對點通信鏈接，IO-Link采用標準連接器、電纜和協議。IO-Link系統(tǒng)設計用于工業(yè)標準3線傳感器和執(zhí)行器基礎設施，由IO-Link主機和IO-Link器件產品組成。

IO-Link通信在一個主機和一個器件（傳感器或執(zhí)行器）之間進行。通信采用二進制（半雙工）形式，使用非屏蔽電纜時，通信距離限制在20米內。進行通信需要使用三線式接口（L+、C/Q和L-）。在IO-Link系統(tǒng)中，主機的供電范圍為20V至30V，器件（傳感器或執(zhí)行器）的供電范圍為18至30V。

ADI發(fā)布的IO-Link手冊中詳細介紹了IO-Link的優(yōu)勢：

“IO-Link是一種技術，能夠將傳統(tǒng)的二進制或模擬傳感器變成智能傳感器，不再只是收集數據，還允許用戶根據獲取的有關線上其他傳感器的健康和狀態(tài)的實時反饋，以及需要執(zhí)行的操作，在遠程更改其設置。IO-Link技術通過一個通用物理接口，使傳感器變得可以互換，該接口使用協議棧和IO器件描述(IODD)文件來實現可配置的傳感器端口。它切實做到即插即用，并且能夠實時重新配置參數?！?

在工廠網絡層次結構中，IO-Link協議位于邊緣，該位置通常部署傳感器和驅動器，如圖2所示。很多時候，邊緣器件與網關通信，網關將IO-Link協議轉換為所選的現場總線。

圖2：IO-Link協議用于將智能邊緣器件連接至工廠網絡

有關IO-Link如何助力實現下一代制造環(huán)境或工業(yè)物聯網（有時稱為IoT）的更多信息，請點此了解詳細。

設計IO-Link傳感器

工業(yè)場景傳感器必須堅固、小巧且節(jié)能，以盡可能降低散熱需求。大多數IO-Link傳感器包含以下組件：

帶有相關模擬前端(AFE)的檢測元件；

用于處理數據的微控制器，在使用IO-Link傳感器的情況下，也運行輕量級協議棧；

作為物理層的IO-Link收發(fā)器；

電源，以及在許多情況下提供的保護功能（用于提供浪涌保護的TVS、EFT/突發(fā)、ESD等）。

散熱（能效）

了解這些典型組件之后，再來看看考慮如何預估假定傳感器的功率。參見圖3。所有這些數值都是估算值。圖中數值表明，在考慮傳感器的總系統(tǒng)功耗預算時，收發(fā)器（輸出級）的功耗很重要。

最左側代表較早一代IO-Link傳感器。從圖中可以看出，多年來微控制器（MCU）和輸出平臺（例如收發(fā)器）的技術進步對于降低系統(tǒng)總功耗所做的貢獻。

最初的或第一代IO-Link收發(fā)器的功耗為400mW或更高。ADI公司新推出的低功耗IO-Link收發(fā)器的功耗低于100mW。此外，MCU也有助于降低功耗。傳統(tǒng)MCU的功耗高達180mW，但較新的低功耗MCU的功耗可降至50mW。

先進的IO-Link收發(fā)器與低功耗MCU配合使用，可以將傳感器的總功率預算保持在400mW到500mW之間。

功耗與散熱直接相關。傳感器越小，功耗規(guī)格越嚴格。據估計，直徑為8mm (M8)的封閉式圓柱形IO-Link傳感器的最大功耗為400mW，直徑為12mm (M12)的封閉式圓柱形IO-Link傳感器的最大功耗為600mW。

技術一直在不斷進步。MAX14827A是ADI公司推出的一款新型IO-Link收發(fā)器，在驅動100mA負載時，其功耗非常低，僅70mW。這是通過優(yōu)化技術，提供非常低的2.3?（典型值）導通電阻RON來實現的。

圖3.假設的IO-Link工業(yè)傳感器功率預算

對于工作電流非常低（例如3到5mA）并且要求使用3.3V和/或5V電源的傳感器，可以通過LDO提供穩(wěn)壓電源。事實上，ADI公司的IO-Link收發(fā)器集成了一個LDO。但隨著所需的電流增加到30mA，LDO很快會成為系統(tǒng)中主要的供電/散熱源。在30mA時，LDO的功耗可能高達600mW。

30mA時，LDO功率 = (24-3.3) x 30mA = 621mW

相比之下，為30mA傳感器提供3V輸出電壓的DC-DC降壓轉換器的功耗僅為90mW。假設該轉換器的效率為90%（僅損失9mW功率），那么總功耗僅為90 + 9 = 99mW 3。

如圖4所示，ADI公司新推出的IO-Link收發(fā)器集成了一個高效DC-DC穩(wěn)壓器。

圖4：ADI公司新推出的IO-Link收發(fā)器集成了一個高效DC-DC穩(wěn)壓器

IO-Link傳感器的尺寸

除了散熱之外，工業(yè)傳感器的第二關注點是尺寸，新IO-Link傳感器也是如此。隨著轉向更小的外形尺寸，板空間變得越來越重要。

圖5顯示，對于直徑為12mm的外殼，收發(fā)器（采用晶圓級封裝- WLP -封裝）和DC-DC可以并排部署在寬度為10.5mm的標準PCB上。在同一側還有空余空間，可以部署通孔和走線。如果傳感器外殼直徑為6mm，那么PCB寬度可以減小至4.5mm。在這種情況下，即使采用小型WLP封裝，芯片也必須安裝在PCB兩側。

圖5：在新型IO-Link傳感器設計中，尺寸是另一大問題

要實現這些尺寸，收發(fā)器必須采用晶圓級封裝(WLP)，以實現更小尺寸。這種尺寸限制也是ADI在新型IO-Link收發(fā)器（如之前所示）中集成DC-DC的原因之一。

但大多數工業(yè)傳感器必須設計為能夠在嚴苛的環(huán)境中工作，因此必須包含保護電路，例如TVS二極管（圖5中未顯示）。所以，需要注意IO-Link收發(fā)器的絕對最大額定值規(guī)格。

再來看看：為什么IO的絕對最大額定電壓為65V有助于減小傳感器子系統(tǒng)的尺寸？通常，傳感器需承受4個引腳之間的浪涌脈沖：GND、C/Q、DI、DO。ADI公司IO-Link收發(fā)器的絕對最大額定電壓為65V。如果以C/Q和GND之間的24V浪涌下1KV為例。

C/Q和GND之間的電壓 = TVS箝位電壓 + TVS正向電壓

絕對最大額定電壓較高時，設計人員可以使用小型TVS二極管，例如SMAJ33，其箝位電壓為60V/24A，TVS正向電壓為1V/24A。

C/Q和GND之間的電壓 = 61V

以上數值在ADI公司收發(fā)器的絕對最大額定值范圍內。

但是，如果絕對最大額定值更低，行業(yè)中一般在45V左右，就需要一個更大的TVS二極管，例如SMCJ33，用于將電壓箝位到可接受的水平。此二極管的尺寸比ADI公司收發(fā)器所需的尺寸大3倍以上。

如果收發(fā)器絕對最大(Abs Max)額定值較低，那么整個傳感器設計中較大TVS二極管尺寸的影響會比較明顯。表1顯示PCB面積的估算差異。此處假設傳感器必須能夠承受±1KV/24A高電平浪涌。

表1：65V絕對最大額定值對傳感器尺寸的優(yōu)勢

下一代IO-Link收發(fā)器在此基礎上進行了改進。ADI公司新推出的IO-Link收發(fā)器在IO-Link線路接口引腳（V24、C/Q、DI和GND）上集成了保護功能。所有引腳集成±1.2kV/500Ω浪涌保護。此外，所有引腳也提供反向電壓保護、短路保護和熱插拔保護。

即使具有所有集成保護功能和集成式DC-DC降壓穩(wěn)壓器，這些器件也可以采用微型WLP封裝(4.1mm x 2.1mm)；實現非常小巧的IO-Link傳感器設計。

結論

第一代IO-Link收發(fā)器技術采用易于使用的TQFN封裝，集成LDO，可以滿足小型傳感器設計的需求。基于功率和尺寸考慮，第二代收發(fā)器技術優(yōu)化了功耗，采用一種可以降低RON的技術來進一步降低功耗，并可以使用更小的WLP封裝。

最新一代收發(fā)器考慮到需要集成保護和高效DC-DC降壓穩(wěn)壓器，以進一步減小傳感器子系統(tǒng)的尺寸和散熱。圖6顯示了ADI公司IO-Link收發(fā)器的技術進展情況。

圖6：IO-Link收發(fā)器的技術進展

隨著越來越多的工業(yè)傳感器采用IO-Link技術，未來這些器件規(guī)格將成為實現小型、堅固、節(jié)能傳感器的關鍵。