下一代系统，从工业物联网(IIoT)、工厂自动化、国防电子、网络基础设施设备到医疗和消费设备，都需要收集、合成和处理数据。传感器的广泛应用为电子设备带来了新的智能化。这种新型智能需要在不断缩小的空间中使用更大的能量，而不会影响热预算，这使得传统的解决方案既不可行也很复杂。
在快速上市的比赛中，设计师的时间有限地设计电源和有限的空间，以消散热量，同时也会满足冲击，振动和EMI要求 - 一个多维挑战。高温升高和较大的电源限制空间和机会以获得更多产品创新。如何可靠地设计电力收缩设备脚印和传感器而不会过热？他们怎么能快速完成它？
在本文中，我们将讨论电源设计挑战和创新解决方案，以获得支持关键功能所需的额外空间，并节省电源设计时间。
智能传感器市场趋势
第四次工业革命，通常被称为工业4.0，影响了当前制造业的自动化和数据交换趋势，在这些趋势中，信息物理系统、工业物联网、云计算和认知计算都在一起运行，以创建一个“智能工厂”。在智能工厂结构中，信息物理系统监视物理过程。它们彼此之间以及与人类实时地进行沟通和合作，并做出分散的决策。为了以更高的智能水平监控物理过程，使用了智能传感器。
2018年，大约70M传感器被用于工厂自动化，其中8M(或11%)是采用IO-Link技术的智能传感器。预计到2022年，搭载IO-Link的智能传感器市场将增长到2000万（图。1）．1
1. IO-Link传感器市场趋势。1
老学校传感器评论
过去，传感器包括一个传感元件和一些将传感数据传送到可编程逻辑控制器(PLC)的方法。（图2）．数据通常以模拟格式传输，并且是单向的(仅从传感器到主控器)。模拟数据通信容易产生噪声，控制器无法直接对传感器进行诊断、重新配置或重新校准。
2.“旧学校”模拟和二元传感器。
这些模拟传感器可以工作，但随着技术的进步，传感器制造商将更多的功能集成到传感器中，通过引入二进制传感器来降低噪音敏感性。二进制传感器受IEC 60947-5-2标准控制。但数据仍然局限于从传感器到主控器的单向通信，没有错误控制，仍然需要在工厂现场的技术人员完成手动校准等任务。
智能传感器
需要一个更好的解决方案来满足“工业4.0”、智能传感器和可重构工厂地板的需求。解决方案是IO-Link（图3）．IO-Link使工厂车间的边缘智能化，允许传感器和控制器之间的双向通信。该系统可以实时调整、配置和诊断传感器。
3.带有IO-Link传感器的PLC。
传统工厂通常为单一产品构建和优化。一旦达到产品配额或市场需求减少，工厂均闲置。重新配置这一传统工厂以使另一种产品需要额外的时间和金钱。另一方面，一家智能工厂可实现高效，即在线重新配置以快速适应市场需求波动。利用实时诊断，可能的预测性维护且出厂时间最大化。所有这些优点现在都可以使用IO-Link，Smart传感器和其他技术进步。
智能传感器的特点和设计挑战
智能传感器的一些主要特点是:IO-Link兼容、全现场配置、实时诊断和小尺寸(为了使其无处不在)。智能传感器应该具有直观的编程，以简化其初始设置，并有助于消除逻辑错误。它们应该是完全可配置的，以减少设备库存，并支持多个配置文件，以促进灵活的制造。
那么，缺点是什么呢?这些智能功能增加了传感器的功耗。与此同时，各种制造商的小型化趋势也在急剧上升。为这些奇妙的传感器提供动力，设计师们面临着两大挑战:热和尺寸．
设计实例:为小型化智能传感器供电
让我们看一下带有IO-Link的智能接近传感器。图4一图示了该传感器框图。微控制器（MCU）从传感元件中收集数据，线性化并校准它，并将其发送到IO-Link收发器，然后将数据发送到系统PLC。IO-Link连接器还提供24 V供电传感器。
4.带IO-Link（A）的智能接近传感器;具有IO-Link（B）的智能接近传感器;和简化的框图（c）。
为了便于讨论功率设计，让我们将所有传感器元素分组到“传感器电路”中。“电源”是用来将24v转换为5v的电源解决方案，反过来为我们的传感器电路供电。我们将物理传感器简称为“设备”(图4b和图4c)．
让我们来看看传感器电路，电源和总设备的功耗，使用LDO（低掉落线性稳压器），传统的电源解决方案(图5)．
5. LDO是传感器的传统电源解决方案。
传统的模拟传感器电路通常消耗约15毫安。24v工业动力轨道最大可达30vdc。功率耗散如下:
一世O.= 15 mA，VI = 30 V（最大值）
P.传感器= vo x io = 75 mw
P.sup= P.LDO= (Vi - Vo) x Io = 375mw
P.设备= P.传感器+ PLDO= 450兆瓦
在这个例子中，只有75mW被用来做实际工作(为传感器电路供电)，而由于LDO效率低，375mW在LDO中丢失。450mW是我们的设备必须消耗的总功率。
现在，随着更多功能，使传感器更智能，这需要更多的电流，这将使设备的功耗恶化。例如，如果传感器电路电流随着如上所述的类似计算，则传感器电路电流增加到30mA：iO.= 30 mA, P传感器= 150 mW, Psup= 750 mw和p设备= 900兆瓦。900mw超过了大多数小型接近传感器的功耗限制。
热 - 您设计的最大问题
热量是传感器设计的最大问题。图6显示LDO功耗占主导地位的最后两个示例的功率耗散图。LDO的过度功耗限制了传感器电路可以具有多大电流，从而抑制创新。在15 mA的传感器电流中，功耗几乎没有适合M8连接器尺寸，其具有大约450mW的热耗散极限。在30 mA的传感器电流下，甚至更大的M12也不会容忍散热。
6.功耗与传感器的热性能。
显然，我们需要一个更高效的电源解决方案来满足散热限制。图7展示了一种DC-DC转换器解决方案。在15 ma的传感器电流和保守的75%的效率下，DC-DC变换器只有2 5mW的功率损耗，有助于将设备的总功率损耗从450 mW减少到100 mW，功率损耗减少4.5倍。
7.电源耗散：LDO与DC-DC。
重复相同的30-MA传感器电流计算，我们可以看出DC-DC转换器的高效率降低了热量，并实现了更多的传感器电流。这意味着我们可以将更多的电路，功能和创新装入我们的传感器中，使其更智能。图8说明这一点。
8.高效的DC-DC转换器减少热量，并使更多的传感器电流/创新。
尺寸——设计的一个大问题
一个智能系统需要更多的智能传感器。智能传感器必须体积小才能在任何地方使用。智能传感器也有更多的电路，但必须适应越来越小的空间。图9左侧为M12连接器，其外径为12mm, PCB板最大宽度为10.5 mm。虽然这个M12连接器可以适合典型的DC-DC转换器解决方案，但右侧显示的较小尺寸(M6)只有4.5 mm的PCB宽度。这个小空间是一个真正的挑战，因为它可以容纳一个电源解决方案。由于最近在集成方面的进步，Maxim的MAXM17532具有2.6 x 3 x 1.5 mm的微小尺寸，非常适合这个微型传感器。
9.尺寸和你的设计。
MAXM17532是100 mA超紧凑，宽输入电压的电源模块。它运行在4.0至42V的输入电压。输出电压可编程为0.9至5.5 V.系列中的另一部分MAXM17552可以操作高达60 V的输入电压。图10MAXM17532/MAXM17552典型应用电路原理图。
10. MAXM17532 / MAXM17552典型应用电路原理图。
总结
工业4.0推动了智能传感器的需求。智能传感器需要更高的功率，即使它们的尺寸越来越小。使用ldo的传统电源解决方案耗散过多，产生热量问题。传感器设计者面临两大挑战:热量和尺寸。为了解决这些挑战，电源解决方案必须高效和小型化。由于现代DC-DC变换器集成的进步，高度集成的DC-DC电源模块提供了完美的解决方案。
Anthony T. Huynh是工业电力应用技术人员的主要成员马克西姆集成．
参考
1。http://www.io-link.com/en/index.php.
