摘要
工業4.0正在使工業自動化技術更接近工廠車間的邊緣。在本設計方案中，我們展示了整合DC-DC轉換器，MAX22513突波保護IO-Link®收發器，如何降低大電流工業感測器的功耗和元件面積。
每一場革命都應該有一個有價值的座右銘。“自由，平等，博愛”被法國人選中。第四次工業革命（謝天謝地，沒有流血或衝突）可能對人們的生活產生比任何政治革命更大的全球影響。可以說，「智慧、適應性、功效」可能是工業4.0的合適口號（圖1），因為這場革命經常被提及。
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MAX22513 ► 突波保護雙驅動器IO-Link裝置收發器，具有DC-DC
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圖1.工業4.0或第四次工業革命
無論您是否認為這是一個有價值的口號，無可爭議的是，這些術語中的每一個都適用於IO-Link技術，IO-Link®技術是這場工業革命的先鋒，正在促進工廠車間更智慧，適應性更強，更高效的工業感測器。
對於工業系統設計人員來說，無情的挑戰是確保這種性能的提高，不會以增加功率或散熱為代價，從而增加感測器尺寸。在本設計解決方案中，我們回顧了設計在惡劣、無風扇工業環境中工作的大電流、小外殼IO-Link感測器時的功率限制。在考慮了現有解決方案遇到的折衷方案後，我們提出了一種新的IO-Link收發器IC，它克服了這些限制，同時提高了設計靈活性和感測器穩健性。
什麼是 IO-Link？
IO-Link 是一種標準化技術 （IEC 61131-9），用於調節工業系統中的感測器和執行器如何與控制器作動。它是具有標準化連接器、電纜和協定的點對點通訊鏈路。IO-Link 系統設計用於行業標準的 3 線感測器和執行器基礎設施，由“IO-Link 主機”和“IO-Link 設備”產品組成（圖 2）。
圖2.IO-Link 主/設備介面
引腳 1 （L+， 24V） 和 3 （L-， 0V） 用於供電，而引腳 4 （C/Q） 根據需要傳輸通訊或開關資訊。引腳 2 可以保持未連接 （NC），也可以配置為用作數位輸入 （DI） 或數位輸出 （DO），以提供開關資訊，同時 C/Q 引腳用於將數據傳輸到 IO-Link 感測器/從 IO-Link 感測器傳輸資料。IO-Link 標準規定，使用工業系統通用的標準連接器，使用非遮罩電纜進行通訊必須在 20 米以內。主設備和設備之間的通訊是半雙工的，具有 3 種傳輸速率：COM1 4800 波特、COM2 38.4k 波特、COM3 230.4k 波特。IO-Link 設備僅支援一種資料速率，而 IO-Link 主站必須支援所有三種資料速率。
IO-Link 傳感器設計
大多數工業感測器使用 M8 或更大的 M12（圖 3）電纜連接器。所用連接器的類型將影響感測器的外殼尺寸，從而影響可以散發的熱量。在以下示例中，我們將設計一個IO-Link感測器，如果使用M8連接器，其總功耗不會超過400mW，如果使用M12連接器的感測器，則總功耗不會超過600mW。
圖3.M12 感測器連接器
除了感測器（壓力/溫度/接近）之外，IO-Link工業感測器通常還包括類比前端（AFE）、微控制器、狀態LED，可能還包括一個輸出級，用於驅動執行器以回應感測器讀數。工業感測器使用24VDC訊號電壓，但在惡劣的工廠環境中，這一電壓可能高達50%。雖然這些電壓電平可以安全地用於為輸出驅動器級供電，但AFE、LED和微控制器需要更低的電壓（3V至5V）才能工作。許多IO-Link收發器將這些電壓電平作為線性穩壓輸出提供。但是，使用它們可能會對感測器的整體功耗（以及因此的散熱）產生負面影響。如果使用效率低下的板載LDO電路為這些輸出提供電流，則尤其如此。例如，對於一個僅通過LDO的小型感測器，考慮以下功率，該感測器僅通過LDO消耗15mA電流，由（典型）30V DC電源軌供電，如圖4所示。
圖4.典型 IO 鏈路感測器的功率 （mW）
由於LDO內部的高損耗，這種相對低功耗的感測器已經超過了典型M8連接感測器中可以耗散約400mW功率，因此需要更大的M12連接外殼。該圖還顯示，僅消耗30mA電流的感測器將耗散900mW，甚至超過了M12連接器感測器的目標數位。
常規解決方案
為了降低總功耗（和散熱），最常見的解決方案是使用外部DC-DC降壓轉換器為收發器上的線性穩壓器供電。例如，DC-DC降壓轉換器為30mA感測器提供3V輸出電壓，功耗僅為90mW。假設轉換器的效率為90%（即僅9mW功率損耗），則總功耗僅為90 + 9 = 99mW。顯然，與使用 LDO （900mW） 相比，功耗降低了約 9 倍。包括輸出級消耗的功率（100mW）在內，總功耗降低為1000mW/199mW，或約5倍，如圖5所示。
圖5.使用降壓轉換器降低功耗與LDO的比較
顯然，感測器的總功耗（約200mW）現在遠低於使用任一類型連接器的感測器的目標數位。然而，這種功耗降低只能以額外的外部電路（即DC-DC轉換器和較重的分立元件，如電感器、二極體和電容器）來實現，這會增加感測器的整體尺寸。典型的IO-Link收發器解決方案需要16.5mm2的元件面積，如圖6所示，DC-DC轉換器的佔用面積比IO-Link收發器本身更大。為了防止電壓突波，一些收發器可能還需要外部TVS二極體，從而進一步增加元件（和電路板）面積。
圖6.典型的IO鏈路收發器解決方案
整合雙通道收發器
與傳統方法相比，圖7所示的IO-Link收發器IC具有幾個優點。首先，反極性保護降壓DC-DC轉換器已完全整合到IC封裝中，這意味著不需要單獨的DC-DC轉換器IC。該轉換器可提供高達 300mA 的輸出電流 （適用於大電流感測器應用），並具有 2.5V 至 12V 的可編程設計輸出電壓。其次，與大多數其他IO-Link收發器不同，該IC還包括第二個（雙）IO-Link通道，可用於在C/Q通道上傳輸資料時進行DI/DO感測器切換。儘管包含這些額外功能，但WLP的整體封裝尺寸僅為2.1 × 4.1 = 8.6mm2。這意味著元件面積減少了近 50%。此外，整合突波保護（高達1kV/500O）電路可在惡劣的工業環境中提供強大的感測器性能，無需外部TVS二極體。
圖7.MAX22513雙通道IO-Link收發器
結論
在此設計解決方案中，我們回顧了為惡劣的無風扇工業環境設計IO-Link感測器時的功率限制。我們已經證明，對於大電流感測器來說，使用LDO提供感測器電流並不總是一個可行的選擇，因為它會大大增加功耗。到目前為止，唯一可用的減少散熱的解決方案是使用單獨的DC-DC降壓轉換器IC，但這伴隨著增加整體感測器的尺寸。然而，MAX22513突波保護雙驅動器IO-Link裝置收發器現在為大電流感測器提供了完全整合的替代方案，以更小的外形尺寸提供了更大的靈活性和強大的性能。
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