問題:
智慧邊緣正在整個產業蔓延，取代傳統的邊緣感測器和執行器。智慧邊緣可以使用常見的傳統電源嗎？
答案:
在某些情況下，是的，但在大多數情況下，不是！需要設計適應的、更先進的電源。
抽象的
本文介紹了智慧邊緣感測器實施的不同範例，以及如何選擇和調整電源管理解決方案以提供最佳解決方案。本文將探討目前可用的一些感測器解決方案。
介紹
工業感測器電源領域目前已經成熟，充滿創新，但也充滿挑戰。智慧邊緣的實施需要智慧資料準備。這需要電源方面的創新。在某些情況下，智慧邊緣的感測器需要由單對雙絞線電纜供電，單對乙太網路供電 (SPoE) 解決方案可以提供這種供電。在其他應用中，毫微功耗解決方案有助於節省能源，從而透過感測器側的電池實現更長的運行時間。此外，一些智慧感測器需要超低雜訊電源，以便感測器資料不會受到損害。最後，在邊緣添加感測器智慧將需要具有更高功率密度的電源。這是因為新感測器需要適應現有的外形尺寸。
什麼是智慧邊緣？
術語「智慧邊緣」是指工業系統中可以獨立選擇和處理資料的感測器。感測器和中央控制單元之間傳輸的資料量較少，因此資料傳輸的挑戰性較小。當然，需要一個微控制器來處理感測器提供的資料。一個簡單的例子是用於檢測特定資訊的光學感測器。例如，它可能會檢測到不小心踏入自動化製造區域的人員，從而將自己置於危險之中。影像資料的處理方式必須能夠明確識別人員，以便機器能夠快速關閉以做出回應。這應該有助於防止受傷。目標是在智慧邊緣處理影像資料。只有一個訊號，即在攝影機視野中偵測到的人，被傳送到中央電腦。不再需要將影像資料傳輸到中央電腦。結果，需要更少的傳輸頻寬並且簡化了傳輸。
智慧邊緣是如何設計的？
透過智慧邊緣的附加處理單元（微控制器），創建了智慧感測器。然而，該裝置的電流消耗較高。需要新的概念來提供感測器所需的更高電流。對於現有的工業廠房和基礎設施來說尤其如此。除了實現安全資料傳輸之外，解決方案還應提供簡單、安全的方式來滿足當前更高的需求。
使用現有 2 線電纜實現智慧邊緣（例如 4 mA 至 20 mA 介面）
SPoE 有助於實現智慧邊緣，因為它可以透過 2 線電纜用作電源。SPoE 與乙太網路供電 (PoE) 類似，但可以使用現有的 2 線電纜（例如 4 mA 至 20 mA 介面）來實現。透過 SPoE，可在 400 公尺範圍內傳輸高達 52 W 的功率，或在長達 1 公里的距離上傳輸高達 20 W 的功率。SPoE 在 IEEE 802.3cg 標準中指定。此線路的工作電壓為 24 V 或 55 V。此電源供應器的特點是能量傳輸和資料傳輸可以在同一根 2 線電纜上進行。數據通訊基於10BASE-T1L標準。圖 1 顯示了一個 SPoE，可透過一條長達 1 km 的單一 2 線電纜提供高達 52 W 的功率。
圖 1. SPoE 透過一條長達 1 公里的 2 線電纜提供高達 52 W 的功率。
工業環境中的奈米功率感測器
智慧邊緣背景下工業環境中低功耗感測器的一個例子是分佈在加工廠中用於監控單一機器的振動感測器。
記錄的振動對應於不同的頻率，並提供機械軸承和軸是否仍能可靠運作的指示。可以從中識別出衰老的早期跡象。透過這種方式，可以降低非計劃性資產停機或運作超出特定容差的可能性。透過精確測量振動可以實現這種反應。振動數據的監測需要複雜的演算法來即時評估大量數據。資料處理可以在部署位置或中央位置本地進行。透過集中評估，收集到的所有感測器資料必須透過電纜或無線電波無線傳輸。
在許多應用中，在感測器上本地實施數據評估是有利的。對於這樣的實施，現有的工業廠房可以簡單地配備振動感測器；無需鋪設額外的電纜。如果感測器偵測到超出容差的頻率範圍，則感測器只會發出定義的警告訊號。
這種類型的感測器可以磁性固定到機器或設備上，並透過無線電波（通常在網狀網路中）傳輸資料。在這樣的網狀網路中，各種感測器會相互通訊並傳輸有關哪個軸承顯示出明顯老化跡象的資訊。因此，工業工廠可以輕鬆配備預測性維護功能。Analog Devices 的 OtoSense ™智慧型馬達感知器 (SMS) 技術就是其中之一。它是一種基於人工智慧硬體和軟體解決方案，用於基於狀態的監測。ADI OtoSense SMS 透過將一流的感測技術與領先的數據分析相結合來監控電動馬達的狀況。
系統正常運作的一個重要先決條件是為感測器提供適當的能源。振動感測器不僅必須為感測器本身提供適當的電源，還必須為用於評估資料的本地微處理器以及用於無線通訊的射頻模組的操作提供適當的電源。感測器系統專為最小電流消耗而設計。可以使用電池作為能源，或可以使用能量收集。這兩種技術經常一起使用。添加能量收集以延長電池壽命。因此，不必頻繁更換電池。能量收集可以使用多種能源。根據感測器的位置，可以使用太陽能電池、熱電發電機 (TEG) 或壓電轉換器。特別是在工業製程工廠中，通常存在可以透過 TEG 轉換為電能的溫度梯度。借助壓電感測器，機械運動也可以轉換為電能。
對於由電池和能量收集等供電的設備，最佳電壓轉換起著關鍵作用。高效率至關重要。為此，有幾種不同的毫微功耗管理積體電路。
圖2所示為採用MAX38650的電壓轉換電路範例。它是一款 100 mA 毫微功耗降壓開關穩壓器。它可以在輸入側採用高達 5.5 V 的電源電壓運行，並可提供 1.2 V 至 5 V 之間的穩壓輸出電壓。在運行期間，開關穩壓器本身僅消耗 390 nA 的電流（典型值）。這是一個非常低的靜態電流。當開關穩壓器關閉時，其消耗的電流僅為 5 nA。感測器數據不是連續獲取的，僅在發生故障時才需要通訊。這意味著MAX38650通常可以切換到省電模式以進一步節省能源。
圖 2. 電池供電感測器的毫微功耗電壓轉換。
每個基本電壓轉換電路通常都有一個回授引腳。需要一個簡單的電阻分壓器來提供穩定的輸出電壓。然而，電阻分壓器在節能電路中沒有太大意義。根據電阻值，流經分壓器的電流過高並導致高損耗，或電阻值過高以致回授節點具有非常高的阻抗。因此，雜訊會耦合到反饋節點並直接影響所需電壓的調節。干擾在工業工廠中尤其是一個問題。如圖2所示，MAX38650有RSEL接腳。它與單個電阻一起工作，該電阻設定輸出電壓。當MAX38650開啟時，200 μA的電流短暫流經外部電阻。所得電壓設定了電壓轉換器的整個工作持續時間所需的輸出電壓。這是兩全其美：工作期間的低洩漏電流和可調節、穩定的輸出電壓。
即使在低頻下也能提供極小訊號且雜訊極小的電源
許多感測器可以測量極小的訊號。必須使用雜訊極低的電源來防止這些訊號失真。傳導和輻射干擾源起著重要作用。雖然借助開關模式電源開關調節器的輸入側和輸出側的附加濾波器電路可以大幅減少傳導干擾，但這對於輻射訊號源來說並不那麼容易。良好的電路板佈局可以防止過度的干擾輻射。即使如此，系統中仍存在殘餘雜訊耦合。只有透過良好的屏蔽（即金屬外殼）才能減少這種情況。然而，這種屏蔽的製造耗時且成本高。
採用Silent Switcher ®技術的開關穩壓器 提供了非常巧妙的解決方案，可以最大限度地減少輻射干擾。任何開關模式電源中出現的脈衝電流路徑都是對稱設計的，因此產生的磁場在很大程度上相互抵消。該技術與倒裝晶片技術相結合，消除了開關穩壓器 IC 中的焊線，從而大大減少了輻射干擾。
輻射干擾最多可減少 40 dB。這相當於輻射功率減少了一萬倍。
圖 3 顯示了 Silent Switcher 技術的對稱設計，同時產生的局部脈衝電流以綠色顯示。脈衝電流產生不同極性的脈衝磁場，且大部分相互抵消。
圖 3. Silent Switcher 技術帶來的最小輻射干擾。
Silent Switcher 技術現已發展到第三代。在這一代中，超低雜訊線性穩壓器也採用了特殊的超低雜訊技術，以減少低頻範圍內的干擾，特別是10 Hz至100 kHz之間的干擾。這一代 Silent Switcher 技術使得在許多應用中可以省略開關模式電源開關穩壓器和敏感負載之間的濾波線性穩壓器。
當尺寸發揮關鍵作用時－僅使用一個電感器的開關穩壓器
一些感測器需要放置在非常狹小的空間中，尤其是當現有感測器應在同一位置替換為現代智慧邊緣感測器時。由於功能增強，通常還需要更多的電氣元件。因此，必須找到減少物理尺寸的創新方法。
電壓轉換領域的一個有趣的例子是單電感器、多出口 (SIMO)，它可以使用單一電感器產生多個不同的輸出電壓。這樣可以節省原本由多個電感器佔用的電路板空間。
圖 4 顯示了用於兩個精確調節輸出電壓的簡單 SIMO 調節器電路範例。可以輕鬆產生額外的電源電壓。僅需要一個電感器 L。
圖 4. 用於極小型感測器的 SIMO 電源。
SIMO 技術可以如下實現：單一電感器連續用於所有單獨的輸出電壓。一定量的能量被放置在電感器中，然後用於產生電壓V OUT1。之後，另一個定義量的能量被放置在電感器中並用於產生電壓V OUT2。透過這種方式，每個產生的電壓都準確地獲得保持其穩定所需的能量。
結論：工業感測器需要合適的電源
本文所述的電源領域的創新都展示瞭如何為現代工業感測器提供最佳供電。感測器變得越來越智慧。他們產生的數據已經在智慧邊緣本地進行評估。越來越多的感測器被用於工業工廠，以幫助優化流程並最大限度地減少停機時間。為了跟上這一趨勢，有必要採用能量收集等創新的能源供應概念。
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