【導讀】無(wú)論過(guò)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(jìn)行傳輸。之后出現了可提供數字開(kāi)/關(guān)信號的二進(jìn)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(kāi)關(guān)元件。其輸出可能是：高端（HS）開(kāi)關(guān)（PNP）或低端（LS）開(kāi)關(guān)（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(chǎng)技術(shù)人員來(lái)執行手動(dòng)校準等任務(wù)。因此，業(yè)界亟需一種更好的解決方案來(lái)滿(mǎn)足“工業(yè)4.0”、智能傳感器和可重新配置的廠(chǎng)區部署等需求。
時(shí)下獲得公認的解決方案是IO-Link協(xié)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(cháng)態(tài)勢。據IO-Link相關(guān)組織預測，截至當前，行業(yè)使用支持IO-Link標準的節點(diǎn)已超過(guò)1600萬(wàn)個(gè)，而這個(gè)數字仍再不斷攀升。
圖1：據 IO-Link聯(lián)盟跟蹤顯示，IO-Link協(xié)議應用快速增長(cháng)（https://io-link.com/en/）
IO-Link是一種標準化技術(shù)（IEC 61131-9），規定工業(yè)系統中的傳感器和執行器如何與控制器交互。作為一種點(diǎn)對點(diǎn)通信鏈接，IO-Link采用標準連接器、電纜和協(xié)議。IO-Link系統設計用于工業(yè)標準3線(xiàn)傳感器和執行器基礎設施，由IO-Link主機和IO-Link器件產(chǎn)品組成。
IO-Link通信在一個(gè)主機和一個(gè)器件（傳感器或執行器）之間進(jìn)行。通信采用二進(jìn)制（半雙工）形式，使用非屏蔽電纜時(shí)，通信距離限制在20米內。進(jìn)行通信需要使用三線(xiàn)式接口（L+、C/Q和L-）。在IO-Link系統中，主機的供電范圍為20V至30V，器件（傳感器或執行器）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(shù)，能夠將傳統的二進(jìn)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(hù)根據獲取的有關(guān)線(xiàn)上其他傳感器的健康和狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋，以及需要執行的操作，在遠程更改其設置。IO-Link技術(shù)通過(guò)一個(gè)通用物理接口，使傳感器變得可以互換，該接口使用協(xié)議棧和IO器件描述(IODD)文件來(lái)實(shí)現可配置的傳感器端口。它切實(shí)做到即插即用，并且能夠實(shí)時(shí)重新配置參數?！?/p>
在工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )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(dòng)器，如圖2所示。很多時(shí)候，邊緣器件與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)將IO-Link協(xié)議轉換為所選的現場(chǎng)總線(xiàn)。
圖2：IO-Link協(xié)議用于將智能邊緣器件連接至工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )
有關(guān)IO-Link如何助力實(shí)現下一代制造環(huán)境或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（有時(shí)稱(chēng)為IoT）的更多信息，請點(diǎn)此了解詳細。
設計IO-Link傳感器
工業(yè)場(chǎng)景傳感器必須堅固、小巧且節能，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(guān)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(xié)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(lái)看看考慮如何預估假定傳感器的功率。參見(jiàn)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功耗預算時(shí)，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(lái)微控制器（MCU）和輸出平臺（例如收發(fā)器）的技術(shù)進(jìn)步對于降低系統總功耗所做的貢獻。
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MCU的功耗高達180mW，但較新的低功耗MCU的功耗可降至50mW。
先進(jìn)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(guān)。傳感器越小，功耗規格越嚴格。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(shù)一直在不斷進(jìn)步。MAX14827A是ADI公司推出的一款新型IO-Link收發(fā)器，在驅動(dòng)100mA負載時(shí)，其功耗非常低，僅70mW。這是通過(guò)優(yōu)化技術(shù)，提供非常低的2.3?（典型值）導通電阻RON來(lái)實(shí)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(guò)LDO提供穩壓電源。事實(shí)上，ADI公司的IO-Link收發(fā)器集成了一個(gè)LDO。但隨著(zhù)所需的電流增加到30mA，LDO很快會(huì )成為系統中主要的供電/散熱源。在30mA時(shí)，LDO的功耗可能高達600mW。
30mA時(shí)，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(gè)高效DC-DC穩壓器。
圖4：ADI公司新推出的IO-Link收發(fā)器集成了一個(gè)高效DC-DC穩壓器
IO-Link傳感器的尺寸
除了散熱之外，工業(yè)傳感器的第二關(guān)注點(diǎn)是尺寸，新IO-Link傳感器也是如此。隨著(zhù)轉向更小的外形尺寸，板空間變得越來(lái)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(xiàn)。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(wèn)題
要實(shí)現這些尺寸，收發(fā)器必須采用晶圓級封裝(WLP)，以實(shí)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格。
再來(lái)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的尺寸？通常，傳感器需承受4個(gè)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(shí)，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A(yíng)DI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(gè)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(gè)傳感器設計中較大TVS二極管尺寸的影響會(huì )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(jìn)行了改進(jìn)。ADI公司新推出的IO-Link收發(fā)器在IO-Link線(xiàn)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降壓穩壓器，這些器件也可以采用微型WLP封裝(4.1mm x 2.1mm)；實(shí)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(shù)采用易于使用的TQFN封裝，集成LDO，可以滿(mǎn)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(shù)優(yōu)化了功耗，采用一種可以降低RON的技術(shù)來(lái)進(jìn)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降壓穩壓器，以進(jìn)一步減小傳感器子系統的尺寸和散熱。圖6顯示了ADI公司IO-Link收發(fā)器的技術(shù)進(jìn)展情況。
圖6：IO-Link收發(fā)器的技術(shù)進(jìn)展
隨著(zhù)越來(lái)越多的工業(yè)傳感器采用IO-Link技術(shù)，未來(lái)這些器件規格將成為實(shí)現小型、堅固、節能傳感器的關(guān)鍵。
關(guān)于A(yíng)DI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現實(shí)世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶(hù)重新認識周?chē)氖澜?。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者：ADI工業(yè)和醫療健康事業(yè)部業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監Suhel Dhanani
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