工業(yè)4.0正在使工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)更接近工廠車間的邊緣。在本設(shè)計(jì)方案中，我們展示了集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的MAX22513浪涌保護(hù)IO-Link收發(fā)器如何降低大電流工業(yè)傳感器的功耗和元件面積。

每一場(chǎng)名副其實(shí)的革命都應(yīng)該得到同樣值得的 座右銘。“自由，平等，博愛”被法國(guó)人選中。 第四次工業(yè)革命（謝天謝地沒有流血事件 或沖突）可能會(huì)對(duì) 人民的生命比任何政治革命都要多。可以說 “智力，適應(yīng)性，功效”可能使合適的 工業(yè) 4.0 的口號(hào)，因?yàn)檫@場(chǎng)革命是 經(jīng)常提到。

不管你是否認(rèn)為這是一個(gè)有價(jià)值的口號(hào)，它不可能是 對(duì)這些條款中的每一個(gè)都適用于 IO-Link 技術(shù)，是該行業(yè)的先鋒 革命，正在促進(jìn)更智能、更具適應(yīng)性和 工廠車間的工業(yè)傳感器效率越來越高。為 工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，無情的挑戰(zhàn)是 確保這種提高的性能不會(huì)在 增加功率或散熱的費(fèi)用，以及 因此增加了傳感器尺寸。在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們 查看設(shè)計(jì)大電流時(shí)的功率約束， 小型外殼 IO-Link 傳感器，可在惡劣的無風(fēng)扇環(huán)境中運(yùn)行 工業(yè)環(huán)境。在考慮妥協(xié)之后 遇到現(xiàn)有解決方案，我們提出了一個(gè)新的 IO-Link 收發(fā)器 IC 克服了這些限制，同時(shí) 同時(shí)提高設(shè)計(jì)靈活性和改進(jìn) 傳感器堅(jiān)固性。?

什么是 IO-Link？

IO-Link 是一種標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù) （IEC 61131-9），用于調(diào)節(jié) 工業(yè)系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器如何與 一個(gè)控制器。它是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路 標(biāo)準(zhǔn)化連接器、電纜和協(xié)議。The IO-Link 系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的3線內(nèi)工作 傳感器和執(zhí)行器基礎(chǔ)設(shè)施，由“IO-Link”組成 主設(shè)備“和”IO-Link 設(shè)備“產(chǎn)品（圖 2）。

圖2.IO-Link 主/設(shè)備接口

引腳 1 （L+， 24V） 和 3 （L-， 0V） 用于電源，而引腳 4 （C/Q） 根據(jù)需要傳輸通信或交換信息。 引腳 2 可以保持未連接 （NC），也可以配置為 用作數(shù)字輸入 （DI） 或數(shù)字輸出 （DO） 以提供 C/Q引腳用于傳輸時(shí)的開關(guān)信息 傳入/傳出 IO-Link 傳感器的數(shù)據(jù)。IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 通信必須在 20 米以內(nèi)且未屏蔽 使用工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)連接器的電纜 系統(tǒng)。主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信是 具有 3 種傳輸速率的半雙工：COM1 4800 波特， COM2 38.4k 波特，COM3 230.4k 波特。IO-Link 設(shè)備 僅支持一種數(shù)據(jù)速率，而 IO-Link 主站必須 支持所有三種數(shù)據(jù)速率。

中聯(lián)傳感器設(shè)計(jì)

大多數(shù)工業(yè)傳感器使用M8或更大的M12（圖） 3）電纜連接器。使用的連接器類型將影響 傳感器的外殼尺寸以及因此的熱量 可以消散。在下面的示例中，我們將設(shè)計(jì) 總功耗不會(huì) 如果使用 M8 連接器，則超過 400mW，如果使用 使用 M12 連接器的傳感器。

除換能器（壓力/溫度/接近度）外， IO-Link 工業(yè)傳感器通常還包括一個(gè)模擬傳感器 前端 （AFE）、微控制器、狀態(tài) LED，可能還有 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器響應(yīng)傳感器的輸出級(jí) 讀數(shù)。工業(yè)傳感器使用24VDC信號(hào)電壓，但 在惡劣的工廠環(huán)境中，這一比例可能高出 50%。 雖然這些電壓電平可以安全地用于為 輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)、AFE、LED 和微控制器需要 工作電壓低得多（3V至5V）。許多 IO 鏈路 收發(fā)器以線性穩(wěn)壓方式提供這些電壓電平 輸出。但是，使用它們的決定可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響 對(duì)傳感器整體功耗的影響（以及 因此，散熱）。如果 低效板載LDO電路用于提供電流 對(duì)于這些輸出。例如，考慮以下功率 僅消耗15mA電流的小型傳感器的預(yù)算 通過 LDO，由（典型值）30V 直流電源軌供電，如圖所示 在圖 4 中。

圖4.典型 IO 鏈路傳感器的功率預(yù)算 （mW）

由于LDO內(nèi)部的高損耗，這種相對(duì)較低的功率 傳感器已超過~400mW功率預(yù)算 在典型的 M8 連接傳感器中耗散，因此， 需要更大的 M12 連接外殼。圖的 還表明，傳感器僅消耗30mA的電流將 耗散900mW，甚至超過了M12的目標(biāo)數(shù)字 連接器傳感器。

常規(guī)解決方案

為了降低整體功耗（和散熱）， 最常見的解決方案是使用外部 DC-DC 降壓 轉(zhuǎn)換器，為收發(fā)器上的線性穩(wěn)壓器供電。為 例如，DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器為30mA傳感器供電 采用 3V 輸出電壓時(shí)功耗僅為 90mW。若 轉(zhuǎn)換器的效率為 90%（即僅 9mW 功率損耗）， 總功耗僅為 90 + 9 = 99mW。清楚 功耗降低約 9 倍 與使用 LDO （900mW） 相比。包括 輸出級(jí)消耗的功率（100mW），總功率 功率降低為 1000mW/199mW，或大約 系數(shù)為 5，如圖 5 所示。

圖5.使用降壓轉(zhuǎn)換器降低功耗與LDO的比較

顯然，傳感器的整體功耗 （~200mW）現(xiàn)在遠(yuǎn)低于傳感器的目標(biāo)數(shù)字 使用任一類型的連接器。但是，這種功率降低是 僅以犧牲額外的外部電路（即 DC-DC轉(zhuǎn)換器和電感器等笨重的分立器件， 二極管和電容器），這增加了 傳感器。典型的 IO-Link 收發(fā)器解決方案需要 如圖6所示，組件面積為16.5mm2，其中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器比 IO-Link 消耗更多的面積 收發(fā)器本身。為了防止電壓浪涌，一些 收發(fā)器可能還需要外部TVS二極管， 進(jìn)一步增加元件（和電路板）面積。

圖6.典型的 IO 鏈路收發(fā)器解決方案

集成雙通道收發(fā)器

圖7所示的IO-Link收發(fā)器IC具有多個(gè) 與傳統(tǒng)方法相比的優(yōu)勢(shì)。 首先，一個(gè)反極性保護(hù)降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器 已完全集成到IC封裝中，這意味著 不需要單獨(dú)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 IC。這 轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)300mA的輸出電流 （用于大電流傳感器應(yīng)用），2.5V至12V 可編程輸出電壓。其次，與大多數(shù)其他不同 IO-Link收發(fā)器，IC還包括第二個(gè)（雙） IO-Link 通道，可用于 DI/DO 傳感器切換 當(dāng)數(shù)據(jù)在 C/Q 通道上傳輸時(shí)。盡管 包含這些額外功能，整體封裝尺寸 在 WLP 中僅為 2.1 × 4.1 = 8.6mm2。這代表幾乎 組件面積減少 50%。此外，堅(jiān)固的傳感器 在惡劣工業(yè)環(huán)境中的性能由 集成浪涌保護(hù)（高達(dá) 1kV/500O）電路 無需外部TVS二極管。

圖7.MAX22513雙通道IO-Link收發(fā)器

結(jié)論

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了電源約束 在為惡劣的無風(fēng)扇工業(yè)設(shè)計(jì) IO-Link 傳感器時(shí) 環(huán)境。我們已經(jīng)證明，使用 LDO 供電 傳感器電流并不總是高電流的可行選擇 傳感器，因?yàn)樗蟠笤黾恿斯摹Ｖ钡浆F(xiàn)在， 減少散熱的唯一解決方案是 使用單獨(dú)的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器IC，但這來了 需要注意的是，要增加整體傳感器尺寸。然而 MAX22513浪涌保護(hù)雙驅(qū)動(dòng)器IO-Link器件 收發(fā)器現(xiàn)在為大電流提供完全集成的替代方案 傳感器，提供更大的靈活性，結(jié)合 強(qiáng)大的性能，更小的外形。

審核編輯：郭婷