如果您从事为智能工厂应用设计工业传感器的业务,那么功率密度是您日常挑战之一。一方面,传感器外壳正在缩小,但另一方面,每个人都希望它们具有更多功能。即使您可以将电子设备物理地安装在传感器外壳内,还有另一个看不见的因素可能导致您的设备出现故障——热量形式的功耗。许多工业传感器使用 M8 或更大的 M12 电缆连接器,这会影响传感器外壳的尺寸,从而影响其可以散发的热量。IO-link 为您的传感器提供所需的智能,但要解决发热问题,您需要知道在决定使用哪种收发器时要注意什么。在本博客中,我们为您提供了一些有用的设计技巧,以帮助您做出正确的选择。
IO-Link 传感器的功率预算
假设您要设计一个总功耗不超过 400mW 的 IO-Link 传感器(例如,如果使用 M8 连接器)或 600mW 的 M12(例如)。
除了传感器(压力/温度/接近度)外,传感器通常还包括以下内容:
模拟前端,
微控制器
状态指示灯
电缆驱动器输出级
工业传感器使用24VDC(典型值)电压,但在恶劣的工厂环境中,该电压通常会攀升至高出25%的水平。虽然这些电压电平可以安全地用于为输出驱动器级供电,但AFE、LED和微控制器需要低得多的电压(通常为2.5V至5V)才能工作。许多 IO-Link 收发器提供线性稳压输出 (LDO) 电压,但使用该电压为这些电路供电会对功耗产生重大影响。例如,考虑以下功率预算,用于仅从L+ DC电源轨吸收15mA电流的小型传感器。由于LDO工作方式固有的低效率,这种相对低功耗的传感器超过了M400连接外壳的~8mW功率预算,这意味着除了使用更大的M12之外别无选择。30mA传感器会更糟 - 总功耗为1000mW,超过了M12连接外壳的目标数字。
图2 - LDO供电传感器的功率预算
降低功耗的一种方法是使用 DC-DC 降压转换器而不是 LDO。例如,使用3V DC-DC降压转换器为30mA传感器供电将仅使用90mW的功率。假设转换器的效率为 90%(意味着 9mW 的功率损耗),传感器的总功耗约为 200mW(图 3)。显然,使用DC-DC转换器有助于将功耗降低近80%,但这是以使用额外的外部电路(笨重的分立元件,如电感器、二极管和电容器)为代价的,这些电路甚至可能不适合传感器外壳。
图3 - 使用DC-DC转换器与LDO的功耗比较
二合一收发器
最好的整体解决方案是集成DC-DC转换器的IO-Link收发器,如MAX22513(图4)。该 IC 可从可编程输出电压 (300.200V 至 2V) 提供高达 5mA (舒适地超过 IO-Link 规定的最小 12mA)。它还包括一个辅助 IO Link 通道,可用于在 C/Q 通道上传输数据时切换 DI/DO 传感器。此外,该收发器还集成了浪涌保护(高达 ±1kV/500Ω)电路,这意味着您无需外部 TVS 二极管即可获得强大的性能。
图4 - MAX22513 IO-Link收发器,集成DC-DC
即使具有所有这些额外功能,这款WLP设备的整体面积也仅为2.1×4.1mm。对于空间受限的传感器,MAX22514是MAX22513的变体,具有更小的WLP,尺寸仅为2.5 x 2.6 mm。方便的是,这两个收发器也可用于IO-Link设备和IO-Link主站的设计。