使用IO-link克服智能工廠傳感器的功耗與空間難題

如果您的工作涉及到為智能工廠應用設計工業傳感器，那么您肯定常常遇到與功率密度的相關挑戰。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，另一個看不見的因素也可能會導致您的設備失效，那就是熱量形式的功率耗散。

許多工業傳感器使用的是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，進而影響其散發的熱量。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器時的注意事項。在本文中，我們會提供一些實用的設計技巧，以幫助您做出正確的選擇。

圖1 - 帶M12連接器的工業傳感器

IO-Link傳感器的功耗預算

假設您要使用M8連接器設計總功耗不超過400mW，或使用M12連接器設計總功耗不超過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容：

●  模擬前端(AFE)

●  微控制器

●  狀態LED

●  電纜驅動器輸出級

工業傳感器使用24VDC（典型值）電壓，但在惡劣的工廠環境中，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）才能運行。許多IO-Link收發器提供線性穩壓輸出(LDO)電壓，但使用該電壓為這些電路供電會對功耗產生重大影響。例如，考慮以下功耗預算，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，總功耗會達到1000mW，超過M12連接外殼的目標功耗。

圖2 - LDO供電傳感器的功耗預算

降低功耗的一種方法是用DC-DC降壓轉換器代替LDO。例如，使用3V DC-DC降壓轉換器為30mA傳感器供電的話，只需要90mW的功率。假設轉換器的效率為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轉換器與使用LDO的功耗比較

二合一收發器

更好的整體解決方案是集成DC-DC轉換器的IO-Link收發器，例如MAX22513（圖4）。該IC的電流高達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，當數據在C/Q通道上傳輸時，輔助通道可用于DI/DO傳感器切換。此外，該收發器集成了浪涌保護（高達±1kV/500Ω）電路，因此無需外部TVS二極管即可提供穩健的性能。

圖4 - 集成DC-DC的MAX22513 IO-Link收發器

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，這兩種收發器也可用于IO-Link器件和IO-Link主機的設計。

MAX22513和MAX22514為智能工廠傳感器的空間與功耗難題帶來了切實可行的解答方案！