使用 IO-Link 實現(xiàn)小型、節(jié)能的工業(yè)現(xiàn)場傳感器

從歷史上看，工業(yè)現(xiàn)場傳感器過去和現(xiàn)在在許多情況下都是模擬的。它們包括一個傳感元件和一些將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器的方法。數(shù)據(jù)是單向模擬的。然后是二進制傳感器，它提供數(shù)字開/關(guān)信號，并包括一個傳感元件：電感、電容、超聲波、光電等，帶有一個半導(dǎo)體開關(guān)元件。輸出可以是高側(cè) (HS) 開關(guān) (PNP) 或低側(cè) (LS) 開關(guān) (NPN) 或推挽式 (PP)。但數(shù)據(jù)仍然僅限于從傳感器到主機的單向通信，沒有錯誤控制，并且仍然需要工廠車間的技術(shù)人員執(zhí)行手動校準(zhǔn)等任務(wù)。

需要更好的解決方案來滿足“工業(yè) 4.0”、智能傳感器和可重構(gòu)工廠車間的需求。解決方案是 IO-Link 協(xié)議，這是一種相對較新的工業(yè)傳感器標(biāo)準(zhǔn)，顯示出驚人的增長軌跡。

IO Link 組織估計，迄今為止，現(xiàn)場使用了超過 1600 萬個啟用 IO-Link 的節(jié)點。這個數(shù)字還在增長。

圖 1：IO-Link 協(xié)議的快速增長（圖片：IO-Link Consortium）

IO-Link 是一種標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù) (IEC 61131-9)，用于規(guī)范工業(yè)系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器與控制器的交互方式。IO-Link 是具有標(biāo)準(zhǔn)化連接器、電纜和協(xié)議的點對點通信鏈路。IO-Link 系統(tǒng)設(shè)計用于在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 3 線傳感器和執(zhí)行器基礎(chǔ)設(shè)施中工作，包括 IO-Link 主站和 IO-Link 設(shè)備產(chǎn)品。

IO-Link 通信在一臺主設(shè)備和一臺設(shè)備（傳感器或執(zhí)行器）之間進行。通信采用二進制（半雙工）方式，限制為 20 m，使用非屏蔽電纜。通信需要 3 線接口（L+、C/Q 和 L-）。IO-Link 系統(tǒng)中主站的供電范圍為 20 V 至 30 V，設(shè)備（傳感器或執(zhí)行器）的供電范圍為 18 至 30 V。

Maxim 的 IO-Link 手冊1詳細闡述了 IO-Link 的優(yōu)勢如下：

“IO-Link 是一種使傳統(tǒng)的二進制或模擬傳感器成為智能傳感器的技術(shù)，它不再只是收集數(shù)據(jù)，而是允許用戶根據(jù)獲得的其他傳感器的健康和狀態(tài)的實時反饋遠程更改其設(shè)置在生產(chǎn)線上，以及它需要執(zhí)行的制造操作。IO-Link 技術(shù)使傳感器能夠通過通用物理接口變得可互換，該接口使用協(xié)議棧和 IO 設(shè)備描述 (IODD) 文件來啟用可配置的傳感器端口。它是真正的即插即用，同時提供即時重新配置參數(shù)的能力?！?/p>

在工廠網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中，IO-Link 協(xié)議位于邊緣，通常是傳感器和執(zhí)行器，如圖2 所示。很多時候，邊緣設(shè)備與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)將 IO-Link 協(xié)議轉(zhuǎn)換為選擇的現(xiàn)場總線。

圖 2：IO-Link 協(xié)議用于將智能邊緣設(shè)備連接到工廠網(wǎng)絡(luò)。（圖片：美信集成）

有關(guān) IO-Link 如何支持下一代制造環(huán)境或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（有時也稱為）的更多信息，請參閱前一篇文章，其中詳細解釋了這一點2。

設(shè)計 IO-Link 傳感器

工業(yè)現(xiàn)場傳感器必須堅固、小巧且非常節(jié)能，以便將散熱保持在最低限度。大多數(shù) IO-Link 傳感器具有以下組件：

帶有相關(guān)模擬前端 (AFE) 的傳感元件

處理數(shù)據(jù)的微控制器以及 IO-Link 傳感器也運行輕量級協(xié)議棧。

作為物理層的 IO-Link 收發(fā)器。

電源和許多情況下的保護（用于浪涌、EFT/突發(fā)、ESD 等的 TVS）。

工廠邊緣的推薦智能：提高生產(chǎn)力并降低成本

散熱（功率效率）

一旦我們了解了典型組件，我們就可以查看假設(shè)的傳感器功率是如何預(yù)算的。見圖3。所有這些數(shù)字都是估計值。他們表明，在預(yù)算傳感器的總系統(tǒng)功耗時，收發(fā)器（輸出級）功耗很重要。

讓我們從最左側(cè)開始，它指定了老一代的 IO-Link 傳感器。這樣一來，多年來微控制器 (MCU) 和輸出級（即收發(fā)器）技術(shù)的進步如何有助于降低系統(tǒng)總功耗就變得更加清晰。

原始或第一代 IO-Link 收發(fā)器的功耗為 400 mW 或更高。最新的低功耗 Maxim IO-Link 收發(fā)器功耗低于 100 mW。此外，MCU 也提供了幫助。傳統(tǒng) MCU 的功耗高達 180 mW，但較新的低功耗 MCU 可降至 50 mW。

先進的 IO 鏈路收發(fā)器與低功耗 MCU 相結(jié)合，可將傳感器總功率預(yù)算保持在 400 mW 至 500 mW 的范圍內(nèi)。

功耗與散熱直接相關(guān)。傳感器越小，功耗規(guī)范就越嚴(yán)格。根據(jù)一些估計，一個 8 毫米直徑 (M8) 封閉式圓柱形 IO-Link 傳感器將指定 400 mW 的最大功耗，而一個 12 毫米直徑 (M12) 封閉式圓柱形 IO-Link 傳感器將指定一個 600兆瓦。

而且技術(shù)不斷進步。Maxim Integrated 推出的一款新型 IO-Link 收發(fā)器MAX14827A在驅(qū)動 100 mA 負(fù)載時功耗極低，僅為 70 mW。這是通過優(yōu)化技術(shù)以提供非常低的 2.3 Ω（典型值）R ON（導(dǎo)通電阻）來實現(xiàn)的。

圖 3：假設(shè)的 IO-Link 工業(yè)傳感器功率預(yù)算。（圖片：Maxim 集成產(chǎn)品）

對于使用極低工作電流（例如 3 至 5mA）并需要 3.3-V 和/或 5-V 電源的傳感器；穩(wěn)壓電源可以通過 LDO 獲得。事實上，Maxim 的 IO-Link 收發(fā)器包含一個集成 LDO。但隨著電流需求增加到 30 mA，LDO 將很快成為系統(tǒng)中功率/散熱的主要來源。在 30 mA 時進行比較，LDO 的功耗可高達 600 mW。

LDO 功率 @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW

相比之下，為具有 3V 輸出電壓的 30mA 傳感器供電的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器僅耗散 90mW。假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率為 90%（僅 9 mW 功率損耗），總功耗僅為 90 + 9 = 99 mW 3。

Maxim 最新的 IO-Link 收發(fā)器集成了高效 DC-DC 穩(wěn)壓器，如圖4 所示。

圖 4：Maxim 最新的MAX22513 IO-Link 收發(fā)器包含一個集成的高效 DC-DC 穩(wěn)壓器。（圖片：Maxim 集成產(chǎn)品）

IO-Link 傳感器的尺寸

在散熱之后，尺寸是所有工業(yè)傳感器的下一個最大關(guān)注點，它也適用于新的 IO-Link 傳感器。隨著我們遷移到更小的外形尺寸，電路板空間變得越來越寶貴。

圖 5顯示對于 12 毫米直徑的外殼，晶圓級封裝 (WLP) 中的收發(fā)器和 DC-DC 可以并排放置在 10.5 毫米寬的常規(guī) PCB 上。同一側(cè)仍有過孔和電線的空間。如果傳感器外殼為 6 mm，則 PCB 寬度降至 4.5 mm。然后，即使是小型 WLP 封裝，芯片也必須安裝在 PCB 的兩側(cè)。

圖 5：尺寸是最新 IO-Link 傳感器設(shè)計中的另一個大問題。（圖片：Maxim 集成產(chǎn)品）

要啟用這些尺寸，收發(fā)器必須在允許最小尺寸的 WLP 中可用。這種尺寸限制也是我們在最新的 IO-Link 收發(fā)器中集成 DC-DC 的原因之一，如前所示。

但大多數(shù)工業(yè)傳感器還必須設(shè)計為在惡劣的環(huán)境中工作，這意味著它們必須包含 TVS 二極管等保護電路，圖 5中未顯示這些保護電路。這是重要的地方，請注意 IO-Link 收發(fā)器的絕對最大額定值規(guī)范。

讓我們詳細說明一下：為什么 IO 上的 65V 絕對最大額定值會減小傳感器子系統(tǒng)的尺寸？通常，傳感器需要承受 4 個引腳之間的浪涌脈沖：GND、C/Q、DI 和 DO。Maxim 的 IO-Link 收發(fā)器具有 65V 的絕對最大額定值。如果我們以 C/Q 和 GND 之間 24 V 的 1 KV 浪涌為例。

C/Q 和 GND 之間的電壓 = TVS 鉗位電壓 + TVS 正向電壓

憑借更高的絕對最大額定值規(guī)范，設(shè)計人員可以使用小型 TVS 二極管，例如 SMAJ33，其鉗位電壓為 24 A 時為 60 V，TVS 正向電壓為 24 A 時為 1 V。

C/Q 和 GND 之間的電壓 = 61V

上述值在 Maxim 收發(fā)器的絕對最大額定值規(guī)范內(nèi)。

但是，如果絕對最大額定值規(guī)格較低，通常在行業(yè)中約為 45 V，則需要更大的 TVS 二極管（例如 SMCJ33）將電壓鉗制到可接受的水平。該二極管的尺寸是 Maxim 收發(fā)器所需二極管的 3 倍以上。

如果收發(fā)器的絕對最大額定值規(guī)格較低，則較大 TVS 二極管在整個傳感器設(shè)計中的尺寸影響是顯著的。表 1顯示了 PCB 面積的估計差異。這里的假設(shè)是傳感器必須能夠承受 ±1 KV/24 A 的高電平浪涌。

表 1：65V 絕對最大額定值對傳感器尺寸的優(yōu)勢（圖片：Maxim Integrated Products）

下一代 IO-Link 收發(fā)器甚至對此進行了改進。Maxim 的新型 IO-Link 收發(fā)器現(xiàn)在在 IO-Link 線路接口引腳（V24、C/Q、DI 和 GND）上集成了保護功能。所有引腳都集成了 ±1.2 kV/500 Ω 浪涌保護。此外，所有引腳還具有反向電壓保護、短路保護和熱插拔保護。

即使具有所有集成保護功能以及集成 DC-DC 降壓穩(wěn)壓器，這些器件仍可采用微型 WLP 封裝 (4.1 x 2.1 mm)；實現(xiàn)小型 IO-Link 傳感器設(shè)計。

結(jié)論

第一代 IO-Link 收發(fā)器技術(shù)采用易于使用的 TQFN 封裝和集成 LDO，可滿足小型傳感器設(shè)計的需求。隨著功率和尺寸方面的考慮越來越多，第二代收發(fā)器技術(shù)通過轉(zhuǎn)向降低 R ON的技術(shù)來優(yōu)化功耗，從而進一步降低功耗，并提供更小的 WLP 封裝。

最新一代收發(fā)器認(rèn)識到需要集成保護和高效 DC-DC 降壓穩(wěn)壓器，以進一步減小傳感器子系統(tǒng)的尺寸和散熱。圖 6顯示了 Maxim Integrated 的 IO-Link 收發(fā)器技術(shù)的高級進展。