【導讀】無(wu)論(lun)過(guo)去(qu)還(hai)是(shi)現(xian)在(zai)，在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，工(gong)業(ye)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)是(shi)使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)型(xing)。其(qi)中(zhong)包(bao)含(han)檢(jian)測(ce)元(yuan)件(jian)
，以(yi)及(ji)將(jiang)檢(jian)測(ce)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)某(mou)種(zhong)方(fang)式(shi)。數(shu)據(ju)采(cai)用(yong)單(dan)向(xiang)模(mo)擬(ni)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)傳(chuan)輸(shu)。之(zhi)後(hou)出(chu)現(xian)了(le)二(er)進(jin)製(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)提(ti)供(gong)數(shu)字(zi)開(kai)/關信號
，包含檢測元件（電感、電容、超聲波、光電等）和半導體開關元件。

所以需要更好的解決方案來滿足"工業4.0"、智能傳感器和可重新配置的廠區部署等需求。該解決方案就是IO-Link協議，這是一種相對較新的工業傳感器標準，呈現出迅速增長的態勢。

IO-Link相關組織估計，到目前為止，現場使用的支持IO-Link標準的節點超過1600萬個。這個數字還在上升。

圖1. 據IO-Link聯盟跟蹤顯示，IO-Link協議應用快速增長（ IO-Link Consortium）。

IO-Link是一種標準化技術(IEC 61131-9)，規定工業係統中的傳感器和執行器如何與控製器交互。IO-Link是一種點對點通信鏈接
，采用標準連接器

、電纜和協議。IO-Link係統設計用於工業標準3線傳感器和執行器基礎設施，由IO-Link主機和IO-Link器件產品組成。

IO-Link通信在一個主機和一個器件（傳感器或執行器）之間進行。通信采用二進製（半雙工）形式，使用非屏蔽電纜時

，通信距離限製在20米內。進行通信需要使用三線式接口（L+、C/Q和L-）。在IO-Link係統中，主機的供電範圍為20V至30V
，器件（傳感器或執行器）的供電範圍為18至30V。

ADI公司的IO-Link手冊介紹了IO-Link的優勢：

"IO-Link是shi一yi種zhong技ji術shu，能neng夠gou將jiang傳chuan統tong的de二er進jin製zhi或huo模mo擬ni傳chuan感gan器qi變bian成cheng智zhi能neng傳chuan感gan器qi
，不bu再zai隻zhi是shi收shou集ji數shu據ju，還hai允yun許xu用yong戶hu根gen據ju獲huo取qu的de有you關guan線xian上shang其qi他ta傳chuan感gan器qi的de健jian康kang和he狀zhuang態tai的de實shi時shi反fan饋kui，以yi及ji需xu要yao執zhi行xing的de操cao作zuo

，在zai遠yuan程cheng更geng改gai其qi設she置zhi。IO-Link技術通過一個通用物理接口，使傳感器變得可以互換，該接口使用協議棧和IO器件描述(IODD)文件來實現可配置的傳感器端口。它切實做到即插即用
，並且能夠實時重新配置參數。"

在工廠網絡層次結構中，IO-Link協議位於邊緣
，該位置通常部署傳感器和驅動器，如圖2所示。很多時候

，邊緣器件與網關通信，網關將IO-Link協議轉換為所選的現場總線。

圖2. IO-Link協議用於將智能邊緣器件連接至工廠網絡。

工業現場傳感器必須堅固
、小巧且節能，以盡可能降低散熱需求。大多數IO-Link傳感器包含以下組件：

了解這些典型組件之後，我們來看看考慮如何預估假定傳感器的功率。參見圖3。所有這些數值都是估算值。圖中數值表明，在考慮傳感器的總係統功耗預算時，收發器（輸出級）的功耗很重要。

最左側代表較早一代IO-Link傳感器。從圖中可以看出
，多年來微控製器(MCU)和輸出級（例如收發器）的技術進步對於降低係統總功耗所做的貢獻。

最初的或第一代IO-Link收發器的功耗為400mW或更高。ADI公司新推出的低功耗IO-Link收發器的功耗低於100mW。此外，MCU也有助於降低功耗。傳統MCU的功耗高達180mW
，但較新的低功耗MCU的功耗可降至50mW。

先進的IO-Link收發器與低功耗MCU配合使用，可以將傳感器的總功率預算保持在400mW到500mW之間。

功耗與散熱直接相關。傳感器越小
，功耗規格越嚴格。據估計，直徑為8mm (M8)的封閉式圓柱形IO-Link傳感器的最大功耗為400mW
，直徑為12mm (M12)的封閉式圓柱形IO-Link傳感器的最大功耗為600mW。

技術一直在不斷進步。MAX14827A 是ADI公司推出的一款新型IO-Link收發器，在驅動100mA負載時

，其功耗非常低
，僅70mW。這是通過優化技術
，提供非常低的2.3Ω（典型值）導通電阻RON來實現的。

圖3. 假設的IO-Link工業傳感器功率預算。

對於工作電流非常低（例如3到5mA）並且要求使用3.3V和/或5V電源的傳感器；可以通過LDO提供穩壓電源。事實上

，ADI公司的IO-Link收發器集成了一個LDO。但隨著所需的電流增加到30mA，LDO很快會成為係統中主要的供電/散熱源。在30mA時，LDO的功耗可能高達600mW。

30mA時，LDO功率 = (24-3.3) x 30mA = 621mW

相比之下，為30mA傳感器提供3V輸出電壓的DC-DC降壓轉換器的功耗僅為90mW。假設該轉換器的效率為90%（僅損失9mW功率），那麼總功耗僅為90 + 9 = 99mW3。

如圖4所示
，ADI公司新推出的IO-Link收發器集成了一個高效DC-DC穩壓器。

圖4. ADI公司新推出的IO-Link收發器集成了一個高效DC-DC穩壓器。

除了散熱之外，工業傳感器的第二關注點是尺寸，新IO-Link傳感器也是如此。隨著我們逐漸轉向更小的外形尺寸，板空間變得越來越重要。

圖5顯示，對於直徑為12mm的外殼，收發器（采用晶圓級封裝 -WLP -封裝）和DC-DC可以並排部署在寬度為10.5mm的標準PCB上。在同一側還有空餘空間，可以部署通孔和走線。如果傳感器外殼直徑為6mm，那麼PCB寬度可以減小至4.5mm。在這種情況下，即使采用小型WLP封裝，芯片也必須安裝在PCB兩側。

要實現這些尺寸，收發器必須采用晶圓級封裝(WLP)，以實現更小尺寸。這種尺寸限製也是我們在新型IO-Link收發器（如之前所示）中集成DC-DC的原因之一。

但大多數工業傳感器必須設計為能夠在嚴苛的環境中工作，因此必須包含保護電路

，例如TVS二極管（圖5中未顯示）。所以，我們需要注意IO-Link收發器的絕對最大額定值規格。

我們來看看：為什麼IO的絕對最大額定電壓為65V有助於減小傳感器子係統的尺寸？通常，傳感器需承受4個引腳之間的浪湧脈衝：GND、C/Q
、DI、DO。ADI公司IO-Link收發器的絕對最大額定電壓為65V。如果我們以C/Q和GND之間的24V浪湧下1KV為例。

      C/Q和GND之間的電壓 = TVS箝位電壓 + TVS正向電壓

絕對最大額定電壓較高時
，設計人員可以使用小型TVS二極管，例如SMAJ33
，其箝位電壓為60V/24A，TVS正向電壓為1V/24A。

      C/Q和GND之間的電壓 = 61V

以上數值在ADI公司收發器的絕對最大額定值範圍內。

但是
，如果絕對最大額定值更低，行業中一般在45V左右，就需要一個更大的TVS二極管，例如SMCJ33
，用於將電壓箝位到可接受的水平。此二極管的尺寸比ADI公司收發器所需的尺寸大3倍以上。

如果收發器絕對最大(Abs Max)額定值較低，那麼整個傳感器設計中較大TVS二極管尺寸的影響會比較明顯。表1顯示PCB麵積的估算差異。此處假設傳感器必須能夠承受±1KV/24A高電平浪湧。

表1. 65V絕對最大額定值對傳感器尺寸的優勢

圖5. 在新型IO-Link傳感器設計中，尺寸是另一大問題。

下一代IO-Link收發器在此基礎上進行了改進。ADI公司新推出的IO-Link收發器在IO-Link線路接口引腳（V24、C/Q、DI和GND）上集成了保護功能。所有引腳集成±1.2kV/500Ω浪湧保護。此外
，所有引腳也提供反向電壓保護
、短路保護和熱插拔保護。

即使具有所有集成保護功能和集成式DC-DC降壓穩壓器，這些器件也可以采用微型WLP封裝(4.1mm x 2.1mm)；實現非常小巧的IO-Link傳感器設計。

圖6顯示了ADI公司IO-Link收發器的技術進展情況。

圖6. IO-Link收發器的技術進展。

第一代IO-Link收發器技術采用易於使用的TQFN封裝
，集成LDO，可以滿足小型傳感器設計的需求。基於功率和尺寸考慮
，第二代收發器技術優化了功耗
，采用一種可以降低RON的技術來進一步降低功耗，且可以使用更小的WLP封裝。

最新一代收發器考慮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係統的尺寸和散熱。隨著越來越多的工業傳感器采用IO-Link技術，這些器件規格成為實現小型、堅固
、節能傳感器的關鍵。

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息

，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

麵向GaN功率放大器的電源解決方案

淺談NFC無線充電

如何賦能新一代寬帶隙半導體


？這三類隔離柵極驅動器了解一下~

開幕倒計時|第102屆中國電子展11月22日將盛大開

通過多協議無線連接保持產品靈活性