电子产品世界

无论过去或是现在，在许多情况下，工业传感器都采用模拟。其中包含感测组件，以及将感测数据传输至控制器的某种方式。数据采用单向模拟方式进行传输。之后出现了二进制传感器，该传感器提供数字开/关讯号，包含成测组件（电感、电容、超音波、光电等）和半导体切换组件。其输出可能是：高侧（HS）开关（PNP）或低侧（LS）开关（NPN），或者是推挽式（PP）。但数据仍然受到限制，只能从传感器单向传输至主机，不提供错误控制，且仍然需要现场技术人员来执行手动校准等任务。
所以需要更好的解决方案来满足「工业4.0」、智能传感器和可重新配置的厂区部署等需求，而该解决方案就是IO-Link协议，此为一种相对较新的工业传感器标准，并且呈现迅速成长的态势。
IO-Link相关组织估计，到目前为止，现场使用的支持IO-Link标准的节点超过1600万个。这个数字还在上升。


 
图一 : 据IO-Link联盟追踪显示，IO-Link协议应用快速成长（source：https://io-link.com/en/）

IO-Link为一种标准化技术（IEC 61131-9），规定工业系统中的传感器和执行器如何与控制器通讯。IO-Link是一种点对点通信链接，采用标准连接器、电缆和协议。IO-Link系统设计用于工业标准3线传感器和执行器基础设施，由IO-Link主机和IO-Link组件产品组成。
IO-Link通讯在一个主机和一个组件（传感器或执行器）之间进行。通讯采用二进制（半双工）形式，使用非屏蔽电缆时，通讯距离限制在20m内。进行通讯需要使用三线式接口（L+、C/Q和L-）。在IO-Link系统中，主机的供电范围为20V至30V，组件（传感器或执行器）的供电范围为18至30V。
在工厂网络层次结构中，IO-Link协议位于边缘，该位置通常部署传感器和驱动器，如图二所示。很多时候，边缘组件与网关通讯，网关将IO-Link协议转换为所选的现场总线。


 
图二 : IO-Link协议用于将智能边缘组件连接至工厂网络。

设计IO-Link传感器
工业现场传感器必须坚固、精巧且节能，以尽可能降低散热需求。大多数IO-Link传感器包含以下组件：
‧ 具有相关模拟前端（AFE）的感测组件;
‧ 用于处理数据的微控制器，在使用IO-Link传感器的情况下，也运行轻量级协议堆栈;
‧ 作为物理层的IO-Link收发器;
‧ 电源，以及在许多情况下提供的保护功能（用于提供涌浪保护的TVS、EFT/突发、ESD等）。

散热（能效）
了解这些典型组件之后，我们来看看考虑如何预估假定传感器的功率（图三）。所有这些数值都是估算值。图中数值显示，在考虑传感器的总系统功耗预算时，收发器（输出级）的功耗很重要。
最左侧代表较早一代IO-Link传感器。从图中可以看出，多年来微控制器（MCU）和输出级（例如收发器）的技术进步，对于降低系统总功耗所做的贡献。
最初的或第一代IO-Link收发器的功耗为400mW或更高。ADI的低功耗IO-Link收发器的功耗低于100mW。此外，MCU也有助于降低功耗。传统MCU的功耗高达180mW，但较新的低功耗MCU的功耗可降至50mW。先进的IO-Link收发器与低功耗MCU配合使用，可以将传感器的总功率预算保持在400mW到500mW之间。
功耗与散热直接相关。传感器越小，功耗规格越严格。据估计，直径为8mm （M8）的封闭式圆柱形IO-Link传感器的最大功耗为400mW，直径为12mm （M12）的封闭式圆柱形IO-Link传感器的最大功耗为600mW。
技术一直在不断进步。MAX14827A是ADI新款IO-Link收发器，在驱动100mA负载时，其功耗非常低，仅70mW。此为透过优化技术，提供非常低（典型值）导通电阻RON来实现。


 
图三 : 假设的IO-Link工业传感器功率预算。

对于工作电流非常低（例如3到5mA）并且要求使用3.3V和/或5V电源的传感器；可透过LDO提供稳压电源。事实上，ADI的IO-Link收发器整合了一个LDO，但随着所需的电流增加到30mA，LDO很快会成为系统中主要的供电/散热源。在30mA时，LDO的功耗可能高达600mW。
LDO Power @30mA = （24-3.3） x 30mA = 621mW
30mA时，LDO功率 = （24-3.3） x 30mA = 621mW
相较之下，为30mA传感器提供3V输出电压的DC-DC降压转换器的功耗仅为90mW。假设该转换器的效率为90%（仅损失9mW功率），那么总功耗仅为90 + 9 = 99mW 3。

如图四所示，ADI新推出的IO-Link收发器整合了一个高效DC-DC稳压器。


 
图四 : ADI新推出的IO-Link收发器整合了高效DC-DC稳压器。

IO-Link传感器尺寸
除了散热之外，工业传感器的第二关注点是尺寸，新IO-Link传感器也是如此。随着逐渐转向更精巧的外型尺寸，板面空间变得越来越重要。
图五显示，对于直径为12mm的外壳，收发器（采用晶圆级封装-WLP-封装）和DC-DC可以并排部署在宽度为10.5mm的标准PCB上。在同一侧还有空余空间，可以部署通孔和布线。如果传感器外壳直径为6mm，那么PCB宽度可以减小至4.5mm。在此种情况下，即使采用小型WLP封装，芯片也必须安装在PCB两侧。


 
图五 : 在新型IO-Link传感器设计中，尺寸是另一大问题。

要实现这些尺寸，收发器必须采用晶圆级封装（WLP），以实现更精小尺寸。此种尺寸限制也是ADI在新型IO-Link收发器中整合DC-DC的原因之一。
但大多数工业传感器必须设计为能够在严苛的环境中工作，因此必须包含保护电路，例如TVS二极管（图五中未显示），因此需注意IO-Link收发器的绝对最大额定值规格。
为什么IO的绝对最大额定电压为65V有助于减小传感器子系统的尺寸？通常，传感器需承受4个接脚之间的涌浪脉冲：GND、C/Q、DI、DO。ADI IO-Link收发器的绝对最大额定电压为65V。如果我们以C/Q和GND之间的24V涌浪下1KV为例。

C/Q和GND之间的电压 = TVS箝位电压 + TVS正向电压

绝对最大额定电压较高时，设计人员可以使用小型TVS二极管，例如SMAJ33，其箝位电压为60V/24A，TVS正向电压为1V/24A。

C/Q和GND之间的电压 = 61V

以上数值在ADI收发器的绝对最大额定值范围内。
但是，如果绝对最大额定值更低，业界一般在45V左右，就需要一个更大的TVS二极管，例如SMCJ33，用于将电压箝位到可接受的水平。此二极管的尺寸比ADI收发器所需的尺寸大3倍以上。
如果收发器绝对最大（Abs Max）额定值较低，那么整个传感器设计中较大TVS二极管尺寸的影响会比较明显。表1显示PCB面积的估算差异。此处假设传感器必须能够承受±1KV/24A高位准涌浪。

绝对最大额定值为65V的

IO-Link收发器 绝对最大额定值为45V的

IO-Link收发器

最小的TVS二极管 SMAJ33 SMCJ33

最大电压 61V 45V

总PCB面积 40.5mm2 144mm2

表一：65V绝对最大额定值对传感器尺寸的优势

下一代IO-Link收发器在此基础上进行了改善。ADI新推出的IO-Link收发器在IO-Link线路界面接脚（V24、C/Q、DI和GND）上整合了保护功能。所有接脚整合±1.2kV/500Ω涌浪保护。此外，所有接脚也提供反向电压保护、短路保护和热插入保护。
即使具有所有整合保护功能和整合式DC-DC降压稳压器，这些组件也可以采用微型WLP封装（4.1mm x 2.1mm）；实现非常精巧的IO-Link传感器设计。

结论
图六显示ADI IO-Link收发器的技术进展情况。


 
图六 : IO-Link收发器的技术进展

第一代IO-Link收发器技术采用易于使用的TQFN封装，整合LDO，可满足小型传感器设计的需求。基于功率和尺寸考虑，第二代收发器技术优化了功耗，采用可降低RON的技术进一步降低功耗，而且可使用更精巧的WLP封装。
最新一代收发器考虑到需要整合保护和高效DC-DC降压稳压器，以进一步缩减传感器子系统的尺寸和散热。
随着越来越多的工业传感器采用IO-Link技术，这些组件规格已经成为实现精巧、坚固、节能传感器的关键。

（本文作者Suhel Dhanani为ADI工业及医疗健康事业部业务开发总监）

延伸阅读  IO-Link技术的优势

「IO-Link为一种技术，能够将传统的二进制或模拟传感器变成智能传感器，其不再只是收集数据，还允许用户根据撷取的有关在线其他传感器的健康和状态的实时回馈，以及需要执行的操作，在远程更改其设定。IO-Link技术透过一个通用物理接口，使传感器变得可以互换，该接口使用协议堆栈和IO组件描述（IODD）文件来实现可配置的传感器端口。其可切实做到即插即用，并且能够实时重新配置参数。」

关键词： IO-Link 高能效 工业现场 传感器