利用IO-Link技術建置小型高能效工業(yè)現(xiàn)場傳感器

無論過去或是現(xiàn)在，在許多情況下，工業(yè)傳感器都采用模擬。其中包含感測組件，以及將感測數(shù)據(jù)傳輸至控制器的某種方式。數(shù)據(jù)采用單向模擬方式進行傳輸。之后出現(xiàn)了二進制傳感器，該傳感器提供數(shù)字開/關訊號，包含成測組件（電感、電容、超音波、光電等）和半導體切換組件。其輸出可能是：高側（HS）開關（PNP）或低側（LS）開關（NPN），或者是推挽式（PP）。但數(shù)據(jù)仍然受到限制，只能從傳感器單向傳輸至主機，不提供錯誤控制，且仍然需要現(xiàn)場技術人員來執(zhí)行手動校準等任務。
所以需要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，而該解決方案就是IO-Link協(xié)議，此為一種相對較新的工業(yè)傳感器標準，并且呈現(xiàn)迅速成長的態(tài)勢。
IO-Link相關組織估計，到目前為止，現(xiàn)場使用的支持IO-Link標準的節(jié)點超過1600萬個。這個數(shù)字還在上升。


 
圖一 : 據(jù)IO-Link聯(lián)盟追蹤顯示，IO-Link協(xié)議應用快速成長（source：https://io-link.com/en/）

IO-Link為一種標準化技術（IEC 61131-9），規(guī)定工業(yè)系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器如何與控制器通訊。IO-Link是一種點對點通信鏈接，采用標準連接器、電纜和協(xié)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組件產(chǎn)品組成。
IO-Link通訊在一個主機和一個組件（傳感器或執(zhí)行器）之間進行。通訊采用二進制（半雙工）形式，使用非屏蔽電纜時，通訊距離限制在20m內。進行通訊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，組件（傳感器或執(zhí)行器）的供電范圍為18至30V。
在工廠網(wǎng)絡層次結構中，IO-Link協(xié)議位于邊緣，該位置通常部署傳感器和驅動器，如圖二所示。很多時候，邊緣組件與網(wǎng)關通訊，網(wǎng)關將IO-Link協(xié)議轉換為所選的現(xiàn)場總線。


 
圖二 : IO-Link協(xié)議用于將智能邊緣組件連接至工廠網(wǎng)絡。

設計IO-Link傳感器
工業(yè)現(xiàn)場傳感器必須堅固、精巧且節(jié)能，以盡可能降低散熱需求。大多數(shù)IO-Link傳感器包含以下組件：
? 具有相關模擬前端（AFE）的感測組件;
? 用于處理數(shù)據(jù)的微控制器，在使用IO-Link傳感器的情況下，也運行輕量級協(xié)議堆棧;
? 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（用于提供涌浪保護的TVS、EFT/突發(fā)、ESD等）。

散熱（能效）
了解這些典型組件之后，我們來看看考慮如何預估假定傳感器的功率（圖三）。所有這些數(shù)值都是估算值。圖中數(shù)值顯示，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）和輸出級（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(jù)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新款IO-Link收發(fā)器，在驅動100mA負載時，其功耗非常低，僅70mW。此為透過優(yōu)化技術，提供非常低（典型值）導通電阻RON來實現(xiàn)。


 
圖三 : 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；可透過LDO提供穩(wěn)壓電源。事實上，ADI的IO-Link收發(fā)器整合了一個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。
LDO Power @30mA = （24-3.3） x 30mA = 621mW
30mA時，LDO功率 = （24-3.3） x 30mA = 621mW
相較之下，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。

如圖四所示，ADI新推出的IO-Link收發(fā)器整合了一個高效DC-DC穩(wěn)壓器。


 
圖四 : ADI新推出的IO-Link收發(fā)器整合了高效DC-DC穩(wěn)壓器。

IO-Link傳感器尺寸
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。隨著逐漸轉向更精巧的外型尺寸，板面空間變得越來越重要。
圖五顯示，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，可以部署通孔和布線。如果傳感器外殼直徑為6mm，那么PCB寬度可以減小至4.5mm。在此種情況下，即使采用小型WLP封裝，芯片也必須安裝在PCB兩側。


 
圖五 : 在新型IO-Link傳感器設計中，尺寸是另一大問題。

要實現(xiàn)這些尺寸，收發(fā)器必須采用晶圓級封裝（WLP），以實現(xiàn)更精小尺寸。此種尺寸限制也是ADI在新型IO-Link收發(fā)器中整合DC-DC的原因之一。
但大多數(shù)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（圖五中未顯示），因此需注意IO-Link收發(fā)器的絕對最大額定值規(guī)格。
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個接腳之間的涌浪脈沖：GND、C/Q、DI、DO。ADI IO-Link收發(fā)器的絕對最大額定電壓為65V。如果我們以C/Q和GND之間的24V涌浪下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(shù)值在ADI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，業(yè)界一般在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高位準涌浪。

絕對最大額定值為65V的

IO-Link收發(fā)器 絕對最大額定值為45V的

IO-Link收發(fā)器

最小的TVS二極管 SMAJ33 SMCJ33

最大電壓 61V 45V

總PCB面積 40.5mm2 144mm2

表一：65V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善。ADI新推出的IO-Link收發(fā)器在IO-Link線路界面接腳（V24、C/Q、DI和GND）上整合了保護功能。所有接腳整合±1.2kV/500Ω涌浪保護。此外，所有接腳也提供反向電壓保護、短路保護和熱插入保護。
即使具有所有整合保護功能和整合式DC-DC降壓穩(wěn)壓器，這些組件也可以采用微型WLP封裝（4.1mm x 2.1mm）；實現(xiàn)非常精巧的IO-Link傳感器設計。

結論
圖六顯示ADI IO-Link收發(fā)器的技術進展情況。


 
圖六 : IO-Link收發(fā)器的技術進展

第一代IO-Link收發(fā)器技術采用易于使用的TQFN封裝，整合LDO，可滿足小型傳感器設計的需求?；诠β屎统叽缈紤]，第二代收發(fā)器技術優(yōu)化了功耗，采用可降低RON的技術進一步降低功耗，而且可使用更精巧的WLP封裝。
最新一代收發(fā)器考慮到需要整合保護和高效DC-DC降壓穩(wěn)壓器，以進一步縮減傳感器子系統(tǒng)的尺寸和散熱。
隨著越來越多的工業(yè)傳感器采用IO-Link技術，這些組件規(guī)格已經(jīng)成為實現(xiàn)精巧、堅固、節(jié)能傳感器的關鍵。

（本文作者Suhel Dhanani為ADI工業(yè)及醫(yī)療健康事業(yè)部業(yè)務開發(fā)總監(jiān)）

延伸閱讀  IO-Link技術的優(yōu)勢

「IO-Link為一種技術，能夠將傳統(tǒng)的二進制或模擬傳感器變成智能傳感器，其不再只是收集數(shù)據(jù)，還允許用戶根據(jù)擷取的有關在線其他傳感器的健康和狀態(tài)的實時回饋，以及需要執(zhí)行的操作，在遠程更改其設定。IO-Link技術透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(xié)議堆棧和IO組件描述（IODD）文件來實現(xiàn)可配置的傳感器端口。其可切實做到即插即用，并且能夠實時重新配置參數(shù)。」