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從歷史上看，工業現場傳感器過去和現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據發送到控制器的方法。數據是單向模擬的。然后是二進制傳感器，它提供數字開/關信號，并包括一個傳感元件：電感、電容、超聲波、光電等，帶有一個半導體開關元件。輸出可以是高側 (HS) 開關 (PNP) 或低側 (LS) 開關 (NPN) 或推挽式 (PP)。但數據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人員執行手動校準等任務。
需要更好的解決方案來滿足“工業 4.0”、智能傳感器和可重構工廠車間的需求。解決方案是 IO-Link 協議，這是一種相對較新的工業傳感器標準，顯示出驚人的增長軌跡。
IO Link 組織估計，迄今為止，現場使用了超過 1600 萬個啟用 IO-Link 的節點。這個數字還在增長。
圖 1：IO-Link 協議的快速增長（圖片：IO-Link Consortium）
IO-Link 是一種標準化技術 (IEC 61131-9)，用于規范工業系統中的傳感器和執行器與控制器的交互方式。IO-Link 是具有標準化連接器、電纜和協議的點對點通信鏈路。IO-Link 系統設計用于在行業標準的 3 線傳感器和執行器基礎設施中工作，包括 IO-Link 主站和 IO-Link 設備產品。
IO-Link 通信在一臺主設備和一臺設備（傳感器或執行器）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 系統中主站的供電范圍為 20 V 至 30 V，設備（傳感器或執行器）的供電范圍為 18 至 30 V。
Maxim 的 IO-Link 手冊1詳細闡述了 IO-Link 的優勢如下：
“IO-Link 是一種使傳統的二進制或模擬傳感器成為智能傳感器的技術，它不再只是收集數據，而是允許用戶根據獲得的其他傳感器的健康和狀態的實時反饋遠程更改其設置在生產線上，以及它需要執行的制造操作。IO-Link 技術使傳感器能夠通過通用物理接口變得可互換，該接口使用協議棧和 IO 設備描述 (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的能力。”
在工廠網絡層次結構中，IO-Link 協議位于邊緣，通常是傳感器和執行器，如圖2 所示。很多時候，邊緣設備與網關通信，網關將 IO-Link 協議轉換為選擇的現場總線。
圖 2：IO-Link 協議用于將智能邊緣設備連接到工廠網絡。（圖片：美信集成）
有關 IO-Link 如何支持下一代制造環境或工業物聯網（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。
設計 IO-Link 傳感器
工業現場傳感器必須堅固、小巧且非常節能，以便將散熱保持在最低限度。大多數 IO-Link 傳感器具有以下組件：
帶有相關模擬前端 (AFE) 的傳感元件
處理數據的微控制器以及 IO-Link 傳感器也運行輕量級協議棧。
作為物理層的 IO-Link 收發器。
電源和許多情況下的保護（用于浪涌、EFT/突發、ESD 等的 TVS）。
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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的傳感器功率是如何預算的。見圖3。所有這些數字都是估計值。他們表明，在預算傳感器的總系統功耗時，收發器（輸出級）功耗很重要。
讓我們從最左側開始，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（即收發器）技術的進步如何有助于降低系統總功耗就變得更加清晰。
原始或第一代 IO-Link 收發器的功耗為 400 mW 或更高。最新的低功耗 Maxim IO-Link 收發器功耗低于 100 mW。此外，MCU 也提供了幫助。傳統 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 鏈路收發器與低功耗 MCU 相結合，可將傳感器總功率預算保持在 400 mW 至 500 mW 的范圍內。
功耗與散熱直接相關。傳感器越小，功耗規范就越嚴格。根據一些估計，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。
而且技術不斷進步。Maxim Integrated 推出的一款新型 IO-Link 收發器MAX14827A在驅動 100 mA 負載時功耗極低，僅為 70 mW。這是通過優化技術以提供非常低的 2.3 Ω（典型值）R ON（導通電阻）來實現的。
圖 3：假設的 IO-Link 工業傳感器功率預算。（圖片：Maxim 集成產品）
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；穩壓電源可以通過 LDO 獲得。事實上，Maxim 的 IO-Link 收發器包含一個集成 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 降壓轉換器僅耗散 90mW。假設轉換器的效率為 90%（僅 9 mW 功率損耗），總功耗僅為 90 + 9 = 99 mW 3。
Maxim 最新的 IO-Link 收發器集成了高效 DC-DC 穩壓器，如圖4 所示。
圖 4：Maxim 最新的MAX22513 IO-Link 收發器包含一個集成的高效 DC-DC 穩壓器。（圖片：Maxim 集成產品）
IO-Link 傳感器的尺寸
在散熱之后，尺寸是所有工業傳感器的下一個最大關注點，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) 中的收發器和 DC-DC 可以并排放置在 10.5 毫米寬的常規 PCB 上。同一側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。
圖 5：尺寸是最新 IO-Link 傳感器設計中的另一個大問題。（圖片：Maxim 集成產品）
要啟用這些尺寸，收發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 收發器中集成 DC-DC 的原因之一，如前所示。
但大多數工業傳感器還必須設計為在惡劣的環境中工作，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 收發器的絕對最大額定值規范。
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范，設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 收發器的絕對最大額定值規范內。
但是，如果絕對最大額定值規格較低，通常在行業中約為 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 收發器所需二極管的 3 倍以上。
如果收發器的絕對最大額定值規格較低，則較大 TVS 二極管在整個傳感器設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勢（圖片：Maxim Integrated Products）
下一代 IO-Link 收發器甚至對此進行了改進。Maxim 的新型 IO-Link 收發器現在在 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 降壓穩壓器，這些器件仍可采用微型 WLP 封裝 (4.1 x 2.1 mm)；實現小型 IO-Link 傳感器設計。
結論
第一代 IO-Link 收發器技術采用易于使用的 TQFN 封裝和集成 LDO，可滿足小型傳感器設計的需求。隨著功率和尺寸方面的考慮越來越多，第二代收發器技術通過轉向降低 R ON的技術來優化功耗，從而進一步降低功耗，并提供更小的 WLP 封裝。
最新一代收發器認識到需要集成保護和高效 DC-DC 降壓穩壓器，以進一步減小傳感器子系統的尺寸和散熱。圖 6顯示了 Maxim Integrated 的 IO-Link 收發器技術的高級進展。
圖 6：IO-Link 收發器技術的進展（圖片：Maxim Integrated Products）
隨著 IO-Link 技術被部署在更多的工業傳感器中，這些設備規格是實現小型、堅固、節能傳感器的關鍵。?
審核編輯 黃昊宇
工商網監
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