智能邊緣傳感器需要新電源概念

問題

智能邊緣正擴展到全行業(yè)，逐漸替代原有的邊緣傳感器和執(zhí)行器。智能邊緣可以使用常見的傳統(tǒng)電源嗎？

答案

在某些情況下可以，但在大多數(shù)情況下不行！我們需要設(shè)計適應(yīng)性強、更先進的電源。

引言

工業(yè)傳感器電源領(lǐng)域目前創(chuàng)新迭出，但也充滿挑戰(zhàn)。智能邊緣的實現(xiàn)需要智能數(shù)據(jù)方面的準備。這就需要在電源方面進行創(chuàng)新。在某些情況下，智能邊緣傳感器需要由單對雙絞線電纜供電，單對以太網(wǎng)供電(SPoE)解決方案可以滿足需要。在其他應(yīng)用中，納安級功耗解決方案有助于節(jié)省能源，從而在傳感器側(cè)實現(xiàn)更長的電池運行時間。此外，一些智能傳感器需要超低噪聲 電源，以使傳感器數(shù)據(jù)不受影響。最后，在邊緣添加傳感器智能將需要使用功率密度更高的電源。這是因為，新傳感器需要適應(yīng)現(xiàn)有的外形尺寸。

什么是智能邊緣

“智能邊緣”一詞是指工業(yè)系統(tǒng)中可以獨立選擇和處理數(shù)據(jù)的傳感器。傳感器和中央控制單元之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度較小。當然，要處理傳感器提供的數(shù)據(jù)，需要 使用微控制器。一個簡單的例子是用于檢測特定信息的光學傳感器。例如，它可以檢測不小心踏入自動化制造區(qū)域、從而將自己置于危險之中的人員。處理圖像數(shù)據(jù)時，必須確保能夠 準確無誤地識別人員，以便快速做出響應(yīng)，關(guān)停機器。這應(yīng)該有助于防止傷害。其目標是在智能邊緣處理圖像數(shù)據(jù)。只有一個信號（即，在攝像頭視野中檢測到的人）被傳輸?shù)街醒胗嬎銠C。不再需要將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胗嬎銠C。因此，需要的傳輸帶寬更低，傳輸也得以簡化。

智能邊緣是如何設(shè)計的

通過在智能邊緣添加處理單元（微控制器），就可以創(chuàng)建智能傳感器。然而，該單元的電流消耗較高。為了提供傳感器所需的更高電流，我們需要新的供電概念。對于現(xiàn)有工業(yè)廠房和基 礎(chǔ)設(shè)施來說，尤其如此。除了實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸之外，解決方案還應(yīng)能夠輕松且安全地滿足更高電流需求。

使用現(xiàn)有2線電纜（例如4mA至20mA接口）實現(xiàn)智能邊緣

SPoE可以通過2線電纜來用作電源，因此有助于實現(xiàn)智能邊緣。SPoE與以太網(wǎng)供電(PoE)類似，但可以使用現(xiàn)有2線電纜（例如4 mA至20 mA接口）來實現(xiàn)。SPoE可將高達52 W的功率傳輸400米的距離，或?qū)⒏哌_20 W的功率傳輸長達1千米的距離。SPoE在IEEE 802.3cg標準中作出了規(guī)定。線路的工作電壓為24 V或55 V。這種電源的特點是能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸可以在同一根2線電纜上進行。數(shù)據(jù)通信基于10BASE-T1L標準。圖1顯示了SPoE通過一根長達1 km的2線電纜提供高達52 W的功率。

圖1 SPoE通過一根長達1km的2線電纜提供高達52W的功率

工業(yè)環(huán)境中的納安級功耗傳感器

在智能邊緣的應(yīng)用場景中，工業(yè)環(huán)境中的低功耗傳感器的一個例子是振動傳感器，它們分布在加工廠中，用以監(jiān)測每臺機器。

記錄的振動對應(yīng)于不同的頻率，提供關(guān)于機械軸承和軸是否仍能可靠運行的指示。從中可以識別出老化的早期跡象。通過這種方式可以降低計劃外資產(chǎn)停機或超出特定運行容差的可能性。對振動的精密測量使得這種反應(yīng)成為可能。振動數(shù)據(jù)監(jiān)測需要復雜的算法來實時評估大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理可以在部署位置本地進行，或在中央位置進行。若采用集中評估，所有收集到的傳感器數(shù)據(jù)都必須通過電纜傳輸，或通過無線電波無線傳輸。

在許多應(yīng)用中，直接在傳感器上本地實施數(shù)據(jù)評估是有利的。對于這樣的實施方案，現(xiàn)有工業(yè)廠房可以簡單地配備振動傳感器，無需鋪設(shè)額外的電纜。如果傳感器檢測到超出容差的頻率范圍，它即會發(fā)出規(guī)定的警告信號。

此類傳感器可以通過磁吸方式固定到機器或設(shè)備上，并且通常形成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，通過無線電波傳輸數(shù)據(jù)。在這種網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，各種傳感器相互通信，并傳輸有關(guān)哪個軸承顯示出明顯老化跡 象的信息。因此，工業(yè)廠房可以輕松具備預測性維護能力。ADI 公司的 OtoSense? 智能電機傳感器(SMS)技術(shù)就是其中的一個例子。它是一種基于人工智能技術(shù)的完整硬件和軟件解決方案，用于狀態(tài)監(jiān)控。ADI OtoSense SMS通過將先進的檢測技術(shù)與領(lǐng)先的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合來監(jiān)控電機狀況。

系統(tǒng)正常運行的一個重要先決條件是為傳感器提供適當?shù)碾娫?。振動傳感器不僅必須為傳感器本身提供適當?shù)碾娫矗€必須為用于評估數(shù)據(jù)的本地微處理器以及用于無線通信的RF模塊的操作提供適當?shù)碾娫?。傳感器系統(tǒng)的設(shè)計有助于盡可能降低電流消耗。它可以使用電池作為能源，或者使用能量收集。這兩種技術(shù)經(jīng)常一起使用。增加能量收集功能可延長電池壽命， 這樣就不必頻繁更換電池。能量收集可以使用多種能源。根據(jù)傳感器的位置，可以使用太陽能電池、熱電發(fā)電機(TEG)或壓電轉(zhuǎn)換器。特別是在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，通常存在可以通過TEG轉(zhuǎn)換為電能的溫度梯度。借助壓電傳感器，機械運動也可以轉(zhuǎn)換為電能。

對于通過電池和能量收集等方式供電的設(shè)備，優(yōu)化電壓轉(zhuǎn)換十分重要。高效率是關(guān)鍵。有幾種不同的納安級功耗管理集成電路適用于此目的。

圖2所示為采用MAX38650的電壓轉(zhuǎn)換電路示例。它是一款100 mA納安級功耗降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。它可以在輸入側(cè)采用高達5.5 V的電源電壓，并且可提供1.2 V至5 V之間的穩(wěn)壓輸出電壓。在運行期間，開關(guān)穩(wěn)壓器本身僅消耗390 nA的電流（典型值）。這是非常低的靜態(tài)電流。當開關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)斷時，其僅消耗5 nA電流。傳感器數(shù)據(jù)不是連續(xù)獲取的，僅在發(fā)生故障時才需要通信。這意味著MAX38650可以經(jīng)常切換到省電模式，以進一步節(jié)省能源。

圖2 用于電池供電傳感器的納安級功耗電壓轉(zhuǎn)換

每個基本電壓轉(zhuǎn)換電路一般都有一個反饋引腳。為了提供穩(wěn)壓輸出電壓，需要一個簡單的電阻分壓器。然而，電阻分壓器在節(jié)能電路中沒有多大意義。根據(jù)具體電阻值，要么流經(jīng)分壓器 的電流過高，導致高損耗，要么電阻值很高，以致反饋節(jié)點具有非常高的阻抗。結(jié)果，噪聲會耦合到反饋節(jié)點并直接影響所需電壓的調(diào)節(jié)。干擾在工業(yè)廠房中是一個尤其突出的問題。如 圖2所示，MAX38650有一個RSEL引腳。它使用單個電阻工作，該電阻用于設(shè)置輸出電壓。當MAX38650開啟時，200 μA的電流短暫流過該外部電阻。所得電壓用于設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換器整個工作持續(xù) 時間所需的輸出電壓。這是兩全其美的策略：工作期間的漏電流較低，輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)健。

適用于超小信號且即使在低頻下噪聲也非常低的電源

許多傳感器可以測量非常小的信號。為了防止這些信號失真，必須使用噪聲非常低的電源。傳導和輻射干擾源是主要噪聲源。借助開關(guān)模式電源開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)的附加濾 波器電路，可以大大減少傳導干擾，但對于輻射信號源而言，情況就沒那么簡單了。良好的電路板布局可以防范過多干擾輻射。即使如此，系統(tǒng)中仍然存在殘余噪聲耦合。只有通過良好 的屏蔽（即金屬外殼）才能減少這種情況。然而，此類屏蔽的制造不僅耗時長，而且成本高。

采用Silent Switcher^? 技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器提供了一種非常巧妙的解決方案，可以有效地減少輻射干擾。任何開關(guān)模式電源中出現(xiàn)的脈沖電流路徑都是對稱設(shè)計的，因此產(chǎn)生的磁場在很大程度上相互抵消。該技術(shù)與倒裝芯片技術(shù)相結(jié)合可以顯著減少輻射 干擾，后者消除了開關(guān)穩(wěn)壓器IC中的鍵合線。

輻射干擾可減少多達40 dB。這相當于輻射功率減少到原來的萬分之一。

圖3顯示了Silent Switcher技術(shù)的對稱設(shè)計，同時產(chǎn)生的局部脈沖電流以綠色顯示。脈沖電流產(chǎn)生不同極性的脈沖磁場，它們大部分相互抵消。

圖3 Silent Switcher技術(shù)大幅降低了輻射干擾

Silent Switcher技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展到第三代。在這一代產(chǎn)品中，超低噪聲線性穩(wěn)壓器還采用了特殊的超低噪聲技術(shù)，以減少低頻范圍的干擾，特別是10 Hz至100 kHz之間的干擾。這一代Silent Switcher技術(shù)使得在許多應(yīng)用中可以省去開關(guān)模式電源開關(guān)穩(wěn)壓器和敏感負載之間的濾波線性穩(wěn)壓器。

僅使用一個電感的開關(guān)穩(wěn)壓器適用于尺寸非常重要的應(yīng)用

有些傳感器需要放置在非常狹小的空間中，尤其是當現(xiàn)有傳感器應(yīng)在同一位置替換為現(xiàn)代智能邊緣傳感器的時候。由于功能增強，通常還需要更多的電氣元件。因此，必須找到減小物理 尺寸的創(chuàng)新方法。

電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的一個有趣例子是單電感多輸出(SIMO)技術(shù)，它支持使用單個電感生成多個不同的輸出電壓。該技術(shù)可以節(jié)省原本要由多個電感占用的電路板空間。

圖4顯示了提供兩個精密調(diào)節(jié)輸出電壓的簡單SIMO穩(wěn)壓器電路示例。額外的電源電壓可以輕松生成。僅需要一個電感L。

圖4 SIMO電源適用于超小型傳感器

SIMO技術(shù)可以通過如下方式實現(xiàn)：單個電感連續(xù)用于所有單獨的輸出電壓。一定量的能量被置于電感中，然后用于產(chǎn)生電壓 V_OUT1。之后，另一規(guī)定量的能量被置于電感中并用于產(chǎn)生電壓 VOUT2。通過這種方式，每個產(chǎn)生的電壓都正好獲得了保持其穩(wěn)定所需的能量。

結(jié)語：工業(yè)傳感器需要適應(yīng)性強的電源

本文介紹的電源領(lǐng)域創(chuàng)新都展示了如何為現(xiàn)代工業(yè)傳感器提供理想供電解決方案。傳感器變得越來越智能。它們生成的數(shù)據(jù)已經(jīng)在智能邊緣本地進行評估。越來越多的傳感器被用于工業(yè)廠房，以幫助優(yōu)化流程并盡可能地減少停機時間。為了跟上這一趨勢，有必要采用能量收集等創(chuàng)新的供電概念。

關(guān)于作者

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業(yè)并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，積累了豐富的經(jīng)驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應(yīng)用工程師，負責開關(guān)模式電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計和應(yīng)用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。