利用IO-Link技術實現小型高能效的工業傳感器

【導讀】無論過去還是現在，許多情況下，工業傳感器都采用模擬形態，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行傳輸。之后出現了可提供數字開/關信號的二進制傳感器，包含電感、電容、超聲波、光電等檢測元件，以及半導體開關元件。其輸出可能是：高端（HS）開關（PNP）或低端（LS）開關（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，仍然需要現場技術人員來執行手動校準等任務。因此，業界亟需一種更好的解決方案來滿足“工業4.0”、智能傳感器和可重新配置的廠區部署等需求。

時下獲得公認的解決方案是IO-Link協議，一種相對較新的工業傳感器標準，目前已呈現出迅速增長態勢。據IO-Link相關組織預測，截至當前，行業使用支持IO-Link標準的節點已超過1600萬個，而這個數字仍再不斷攀升。

圖1：據 IO-Link聯盟跟蹤顯示，IO-Link協議應用快速增長（https://io-link.com/en/）

IO-Link是一種標準化技術（IEC 61131-9），規定工業系統中的傳感器和執行器如何與控制器交互。作為一種點對點通信鏈接，IO-Link采用標準連接器、電纜和協議。IO-Link系統設計用于工業標準3線傳感器和執行器基礎設施，由IO-Link主機和IO-Link器件產品組成。

IO-Link通信在一個主機和一個器件（傳感器或執行器）之間進行。通信采用二進制（半雙工）形式，使用非屏蔽電纜時，通信距離限制在20米內。進行通信需要使用三線式接口（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發布的IO-Link手冊中詳細介紹了IO-Link的優勢：

“IO-Link是一種技術，能夠將傳統的二進制或模擬傳感器變成智能傳感器，不再只是收集數據，還允許用戶根據獲取的有關線上其他傳感器的健康和狀態的實時反饋，以及需要執行的操作，在遠程更改其設置。IO-Link技術通過一個通用物理接口，使傳感器變得可以互換，該接口使用協議棧和IO器件描述(IODD)文件來實現可配置的傳感器端口。它切實做到即插即用，并且能夠實時重新配置參數。”

在工廠網絡層次結構中，IO-Link協議位于邊緣，該位置通常部署傳感器和驅動器，如圖2所示。很多時候，邊緣器件與網關通信，網關將IO-Link協議轉換為所選的現場總線。

圖2：IO-Link協議用于將智能邊緣器件連接至工廠網絡

有關IO-Link如何助力實現下一代制造環境或工業物聯網（有時稱為IoT）的更多信息，請點此了解詳細。

設計IO-Link傳感器

工業場景傳感器必須堅固、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，也運行輕量級協議棧；

● 作為物理層的IO-Link收發器；

● 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、ESD等）。

散熱（能效）

了解這些典型組件之后，再來看看考慮如何預估假定傳感器的功率。參見圖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，收發器（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）和輸出平臺（例如收發器）的技術進步對于降低系統總功耗所做的貢獻。

最初的或第一代IO-Link收發器的功耗為400mW或更高。ADI公司新推出的低功耗IO-Link收發器的功耗低于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。

先進的IO-Link收發器與低功耗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。

技術一直在不斷進步。MAX14827A是ADI公司推出的一款新型IO-Link收發器，在驅動100mA負載時，其功耗非常低，僅70mW。這是通過優化技術，提供非常低的2.3?（典型值）導通電阻RON來實現的。

圖3.假設的IO-Link工業傳感器功率預算

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LDO提供穩壓電源。事實上，ADI公司的IO-Link收發器集成了一個LDO。但隨著所需的電流增加到30mA，LDO很快會成為系統中主要的供電/散熱源。在30mA時，LDO的功耗可能高達600mW。

30mA時，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收發器集成了一個高效DC-DC穩壓器。

圖4：ADI公司新推出的IO-Link收發器集成了一個高效DC-DC穩壓器

IO-Link傳感器的尺寸

除了散熱之外，工業傳感器的第二關注點是尺寸，新IO-Link傳感器也是如此。隨著轉向更小的外形尺寸，板空間變得越來越重要。

圖5顯示，對于直徑為12mm的外殼，收發器（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。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，尺寸是另一大問題

要實現這些尺寸，收發器必須采用晶圓級封裝(WLP)，以實現更小尺寸。這種尺寸限制也是ADI在新型IO-Link收發器（如之前所示）中集成DC-DC的原因之一。

但大多數工業傳感器必須設計為能夠在嚴苛的環境中工作，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收發器的絕對最大額定值規格。

再來看看：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個引腳之間的浪涌脈沖：GND、C/Q、DI、DO。ADI公司IO-Link收發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，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

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以上數值在ADI公司收發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，行業中一般在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公司收發器所需的尺寸大3倍以上。

如果收發器絕對最大(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高電平浪涌。

表1：65V絕對最大額定值對傳感器尺寸的優勢

下一代IO-Link收發器在此基礎上進行了改進。ADI公司新推出的IO-Link收發器在IO-Link線路接口引腳（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)；實現非常小巧的IO-Link傳感器設計。

結論

第一代IO-Link收發器技術采用易于使用的TQFN封裝，集成LDO，可以滿足小型傳感器設計的需求。基于功率和尺寸考慮，第二代收發器技術優化了功耗，采用一種可以降低RON的技術來進一步降低功耗，并可以使用更小的WLP封裝。

最新一代收發器考慮到需要集成保護和高效DC-DC降壓穩壓器，以進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收發器的技術進展情況。

圖6：IO-Link收發器的技術進展

隨著越來越多的工業傳感器采用IO-Link技術，未來這些器件規格將成為實現小型、堅固、節能傳感器的關鍵。

關于ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，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，搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網www.analog.com/cn。

作者：ADI工業和醫療健康事業部業務開發總監Suhel Dhanani

審核編輯：湯梓紅