本方案是一個工業4.0就緒的參考設計，采用IO-Link控制接口，含有一個M12安裝的超聲測距傳感器，適合工廠和工業自動化應用中的苛刻環境物體檢測和距離測量，結果不受被測物體顏色、透明度和表面特性以及外部環境的影響。主要特征包括：

-測距范圍：10-30cm （300kHz）；30cm-5m （58kHz）

-分辨率：大約1mm （300kHz）；大約1cm （58kHz）

-非接觸式檢測

-可用于位移發射機、液位發射機、物流機器人、工業機器人、無人機等。

方案特點

超聲技術在工業及汽車領域應用非常廣泛，其中超聲傳感器用于發射和接收超聲波段的聲波信號，測量原理是大家常說的飛行時間（ToF）。其中，壓電換能器是超聲波傳感器的關鍵元件，負責將電信號轉換成超聲波信號。該信號透過媒體，在撞到目標物體后返回壓電換能器，換能器再將這個返回的超聲波信號轉化為電信號。

圖1. 基于PGA460的超聲測距傳感器原理圖

系統中，PGA460為可編程增益放大器（PGA），在一個DSP核心內集成了換能器驅動器、信號調理器，用以驅動和讀取壓電換能器；TIOL111收發器負責IO-Link接口以工業、雙向、點對點的通信，讓方案達到工業4.0就緒要求。

圖2. 基于PGA460的超聲測距傳感器電路圖

方案使用中心抽頭變壓器為換能器提供電壓，PGA460內部的兩個低側開關以推挽模式工作，控制變壓器的兩個初級線圈的ON and OFF。由于初級線圈的電流變化率，變壓器的次級線圈將產生一個電壓，把這個電壓施加在換能器。初級線圈電流方向變化，將在次級線圈產生相反極性的電壓，這也有效倍增了次級線圈上的電壓峰峰值（peak-to-peak voltage）。

PGA460必須與外接的換能器配對使用。外接變壓器或p-channel MOSFET應滿足換能器的輸入電壓要求，其額定飽和電流應等于或大于PGA460已配置的驅動電流極限。

為測試設計效果，方案采用Murata A58MF14-7N and MA300D1-1換能器，可設計師任意選擇更合適的換能器替代品，獲得更具吸引力的BOM價值。

MA300D1-1技術規范：

工作溫度：–20oC to 70oC

結構：防水設計

中心頻率：300kHz

總敏感度：1.5~4.0 VP-P

電容值：1300pF±20%

最大輸入電壓：50VP-P

驅動波數：5個周期

驅動周期： 300Hz

MA58MF14-7N技術規范

工作溫度：–20oC to 85oC

結構：防水設計

中心頻率：58kHz

總敏感度：大于1VOP

電容值：1400pF±20%

最大輸入電壓：120VP-P

驅動波數：20個脈沖，或小于20ms以上間隔，不能使用DC電壓。

中心抽頭變壓器也要與換能器配對使用，用來將DC電壓轉換成高頻正弦AC電壓。中心抽頭施加有DC電壓，按照匝數比大小，放大到變壓器的次級。本方案采用的變壓器－換能器組合為：變壓器為B78416A2232A003、750317161用于MA58MF14-7N換能器，變壓器B78416A2386A003和750316928用以MA300D1-1換能器。

圖3. 用于超聲換能器的中心抽頭型變壓器引腳

本方案測試中使用的變壓器有B78416A2232A003、750317161、B78416A2386A003和750316928，具體技術參數如下：

B78416A2232A003

主體電感：L（4–6） 3mH （52kHz， 1V， +25°C）

電感偏差：±10% at +25°C

匝數比：1:1：8.42

工作頻率：52kHz

測試電壓：VTEST 200VAC

工作溫度：–40°C … +85°C

750317161

主體電感：L （4–6） 3mH （58kHz， 1V， +25°C）

電感偏差：±10% at +25°C

匝數比：1:1： 8.42

工作頻率：58kHz

測試電壓：VTEST 200VAC 1min

工作溫度：–40°C … +125°C

78416A2386A003

主體電感：L （4–6） 0.23mH （50kHz， 100mV， +25°C）

電感偏差：±8% at +25°C

匝數比：1:1：9

工作頻率：300kHz

測試電壓：VTEST 200VAC

工作溫度：–40°C … +85°C

750316928

主體電感：L（4–6） 0.24mH（10kHz， 100mV， +25°C）

電感偏差：±8% at +25°C

匝數比：1:1：9

工作頻率：300kHz

測試電壓：VTEST 500VAC 1min

工作溫度：–40°C … +125°C

如果工程師選擇了不同的換能器，就必須更換成對應的變壓器。驅動器PGA460的推薦外圍元件參數如圖4。

圖4. 換能器驅動器PGA460的外圍元件推薦參數

芯齊齊BOM分析

本參考設計著眼工業4.0，核心BPM元器件TVS3300YZFR、PGA460TPWRQ1、LM5166DRCR、MSP430FR5959IRHAR、TIOL111均來自TI。

圖5. 基于PGA460的超聲測距傳感器BOM表

PGA460是高度集成的片上系統超聲波換能器驅動器和配有先進DSP內核的信號調理器。PGA460設有補充性低側驅動器對，可以在基于變壓器的拓撲中使用升壓變壓器，或者在直接驅動拓撲中使用外部高側FET，來驅動換能器。PGA460可接收和調理反射回波信號，以進行可靠的物體檢測。PGA460采用PW0016A封裝，可用于超聲波雷達、距離和位置感測、存在和接近檢測，以及無人機和機器人著陸協助以及障礙物檢測等應用。

LM5166采用10引腳3mm×3mm VSON封裝，是一款易用緊湊型3–65V超低IQ同步降壓轉換器，可在寬輸入電壓和負載電流范圍內提供高效率。該轉換器可簡化方案，同時優化目標應用性能，可以調節電流限制設定值來優化電感器選擇，從而滿足特定的負載電流要求。TIOL111是具有集成浪涌保護功能的IO-Link收發器，接口類型3-Wire，電源電壓7-36V，輸出電流350mA。

圖6 基于PGA460的超聲測距傳感器電路板

方案發射頭采用標準引腳，具體由連接器J1決定，如M12，PCB寬度為8.9mm，適合管狀外形。右側的直角連接器J3適合頻率高達500kHz的各種換能器，變壓器T1需按換能器參數配對選擇。如果尺寸太大，可將其放置在PCB背面，可選直角引腳的EP5封裝變壓器，750317181和750317196，它們的電氣性能是一樣的。PCB背面的J2直角4腳連接器用于MSP430FR5959的編程和除錯。

審核編輯：湯梓紅