实施小型节能现场传感器

从历史上看，工业传感器是模拟的，包括一个传感元件和某种以单向方式将数据传输到控制器的方法。然后出现了二进制传感器，它提供数字开/关信号，包括感应元件、电容式、超声波、光电等，并带有半导体开关元件。然而，数据仍然局限于从传感器到主机的单向通信，没有错误控制，并且需要一名技术人员在工厂车间完成手动校准等任务。

我们需要一个更好的解决方案来满足工业4.0的需求。解决方案是IO-Link协议，一种工业传感器标准，显示出惊人的增长轨迹- IO-Link组织估计，迄今为止，该领域正在使用超过1600万个IO-Link支持节点。这一数字仍在增长。

IO-Link是一种标准化技术(IEC 61131-9)，用于规范工业系统中的传感器和执行器如何与控制器相互作用。IO-Link是一种点对点通信链路，具有标准化的连接器、电缆和协议。IO-Link系统设计用于行业标准的3线传感器和执行器基础设施，包括IO-Link主设备和IO-Link设备产品。

IO-Link通信是在一台主机和一台设备(传感器或执行器)之间进行的。通信是二进制(半双工)，使用非屏蔽电缆，距离限制在20米。通信需要3线制接口(L+。C/Q和L-)。IO-Link系统的供电范围为主机20V至30V，设备(传感器或执行器)18至30V。

Analog Devices公司的IO-Link手册阐述了IO-Link的优势如下:“IO-Link是一种技术，使传统的二进制或模拟传感器成为智能传感器，不再只是收集数据，而是允许用户根据在线上其他传感器的健康状况和状态的实时反馈，以及需要执行的制造操作，远程更改其设置。IO- link技术使传感器能够通过使用协议栈和IO设备描述(IODD)文件的公共物理接口进行互换，以启用可配置的传感器端口。它是真正的即插即用，同时提供动态重新配置参数的能力。”

在工厂网络层次结构中，IO-Link协议位于边缘——通常是传感器和执行器所在的位置。(参见图1)很多时候，边缘设备与网关通信，网关将IO-Link协议转换为所选的现场总线。

设计IO-Link传感器

工业现场传感器必须坚固，小巧，非常节能，以便将散热保持在最低限度。大多数IO-Link传感器有以下组件:

• 传感元件与相关的模拟前端(AFE)
• 处理数据的微控制器(在IO-Link传感器的情况下)也运行轻量级协议栈。
• 一种IO-Link收发器，即物理层。
• 电源和在许多情况下的保护(电视浪涌，EFT/突发，ESD等)。

散热

一旦我们理解了典型的组件，我们就可以看看假设的传感器功率是如何预算的。(参见图2)所有这些数字都是估计值。他们表明，当预算传感器的总系统功耗时，收发器(输出级)功耗很重要。
让我们从最左边开始，它指定了老一代的IO-Link传感器。通过这种方式，可以清楚地看到微控制器(MCU)和输出级(即收发器)的技术进步是如何在多年来降低系统总功率的。

原始或第一代IO-Link收发器消耗400mW或更高。最新的低功耗Analog Devices IO-Link收发器消耗不到100mW。此外，微控制器也有所帮助。传统MCU的功耗高达180mW，但较新的低功耗MCU可以降至50mW。

最先进的IO-Link收发器加上低功耗MCU可以将传感器的总功率预算保持在400mW至500mW范围内。

功耗直接关系到散热。传感器越小，功耗要求越严格。据估计，直径为8mm (M8)的封闭圆柱形IO-Link传感器的最大功耗为400mW，直径为12mm (M12)的封闭圆柱形IO-Link传感器的最大功耗为600mW。

IO-Link传感器尺寸

在散热之后，尺寸是所有工业传感器的第二大关注点，这同样适用于新型IO-Link传感器。随着我们迁移到更小的尺寸，电路板空间变得越来越珍贵。

图3显示，对于直径为12mm的外壳，收发器(在晶圆级封装- WLP -封装中)和DC-DC可以并排放置在宽度为10.5mm的常规PCB上。在同一侧仍有通孔和电线的空间。如果传感器外壳是6mm，那么PCB宽度下降到4.5mm。然后芯片必须安装在PCB的两侧，即使是小的WLP封装。

为了实现这些尺寸，收发器必须采用允许最小尺寸的晶圆级封装(WLP)。这种尺寸限制也是我们在最新的IO-Link收发器中集成DC-DC的原因之一。

但大多数工业传感器也必须设计成在恶劣的环境中工作，这意味着它们必须包含保护电路，如TVS二极管。这就是需要注意IO-Link收发器的绝对最大额定值规范的重要地方。

具体来说，为什么IOs上的65V绝对最大额定值会减小传感器子系统的尺寸?通常情况下，传感器需要经受住4个引脚之间的浪涌脉冲:GND, C/Q, DI, DO。Analog Devices的IO-Link收发器规格为65V绝对最大额定值。如果我们以C/Q和GND之间在24V浪涌下的1KV为例。

C/Q与GND之间的电压=电视钳位电压+电视正向电压

有了更高的绝对最大额定值规格，设计人员可以使用小型电视二极管，如SMAJ33，其在24A时箝位电压为60V，在24A时电视正向电压为1V。

C/Q和GND之间的电压= 61V

以上值在绝对最大额定值规范内。

然而，如果绝对最大额定值规格较低(通常在行业中为45V左右)，则需要一个更大的TVS二极管，如SMCJ33，以将电压压降至可接受的水平。该二极管的尺寸是Analog Devices收发器所需二极管的3倍多。

如果收发器绝对最大值(Abs Max)额定值规格较低，则较大TVS二极管在整体传感器设计中的尺寸影响是显著的。

Analog Devices公司的较新的IO-Link收发器现在在IO-Link线路接口引脚(V24, C/Q, DI和GND)上具有集成保护。所有引脚均集成±1.2kV/500O防雷保护。此外，所有引脚也有反向电压保护，短路保护和热插拔保护。

即使具有所有集成保护功能以及集成DC-DC buck调节器，这些器件也可在一个微小的WLP封装(4.1mm x 2.1mm)中使用;实现了一个非常小的IO-Link传感器设计。

第一代IO-Link收发器技术采用易于使用的TQFN封装，集成ldo，可满足小型传感器设计的需求。随着功率和尺寸的考虑，第二代收发器技术优化了功耗，转而采用更低的RON来进一步降低功耗，并在更小的WLP封装中提供。
最新一代收发器认识到需要同时集成保护和高效DC-DC降压调节器，以进一步减小传感器子系统的尺寸和散热。

随着IO-Link技术在更多的工业传感器中得到应用，这些设备规格是实现小型、坚固、节能传感器的关键。

这最早出现在欧洲控制工程的网站。由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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