如何通過DC-DC電源模塊解決傳感器供電問題

從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，下一代電子系統(tǒng)正在注入新的智能，在不斷縮小的空間中需要更多的功率，而不會影響熱預(yù)算。因此，傳統(tǒng)的解決方案并不適合。然而，考慮到上市時(shí)間壓力，設(shè)計(jì)人員沒有大量時(shí)間來設(shè)計(jì)電源，他們必須在有限的空間內(nèi)努力散熱，同時(shí)滿足沖擊、振動和 EMI 要求。

在不過熱的情況下可靠地為縮小的設(shè)備和傳感器供電的最佳方法是什么？并快速創(chuàng)建這些電源設(shè)計(jì)？

傳感器歷來包括一個(gè)傳感元件和一些將傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程邏輯控制器 （PLC） 的方法。數(shù)據(jù)將是單向的并以模擬格式傳輸。然而，模擬數(shù)據(jù)通信容易產(chǎn)生噪聲，控制器無法直接診斷、重新配置或重新校準(zhǔn)傳感器。隨著時(shí)間的推移，技術(shù)不斷進(jìn)步，傳感器制造商開始將更多功能集成到這些設(shè)備中，同時(shí)通過二進(jìn)制傳感器降低噪聲敏感性。在二進(jìn)制傳感器中，數(shù)據(jù)仍僅限于單向通信，工廠車間仍需要技術(shù)人員來處理手動校準(zhǔn)等任務(wù)。

IO-Link 的出現(xiàn)通過允許傳感器和控制器之間的雙向通信將智能帶到了工廠車間的邊緣（圖 2）。借助此功能，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整、配置和診斷傳感器——這正是滿足工業(yè) 4.0 和智能工廠的需求所需要的。

與為單一產(chǎn)品建造和優(yōu)化的傳統(tǒng)工廠不同，智能工廠旨在快速適應(yīng)市場需求的變化。實(shí)時(shí)診斷功能有助于預(yù)測性維護(hù)，并可以延長工廠正常運(yùn)行時(shí)間。

圖 2. 帶有 IO-Link 傳感器的 PLC

智能傳感器的智能特性增加了這些傳感器的功耗。與此同時(shí)，工業(yè)設(shè)備制造商也有向小型化方向發(fā)展的趨勢。這意味著為智能傳感器供電需要解決熱量和尺寸方面的挑戰(zhàn)。為了說明這些挑戰(zhàn)，讓我們考慮一個(gè)帶有 IO-Link 的智能接近傳感器（圖 3）。在此應(yīng)用中，微控制器從傳感元件收集數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行線性化和校準(zhǔn)，然后將其發(fā)送到 IO-Link 收發(fā)器。從這里，數(shù)據(jù)被發(fā)送到系統(tǒng) PLC。IO-Link 連接器還提供 24V 為傳感器供電。

圖 3. 帶有 IO-Link 的智能接近傳感器示例

傳感器電路的傳統(tǒng)電源解決方案將涉及低壓差線性穩(wěn)壓器 （LDO）。讓我們看看傳感器電路、電源和整個(gè)設(shè)備的功耗。老式模擬傳感器電路通常消耗大約 15mA。24V 工業(yè)電源軌最高可達(dá) 30VDC。功耗如下：

I O = 15mA，Vi = 30V（最大值）

P Sensor = VoxIo = 75mW

P SUP = P LDO = （Vi – Vo） xIo = 375mW

P Device = P Sensor + P LDO = 450mW

在本例中，只有 75mW 用于實(shí)際工作（為傳感器電路供電），而 LDO 由于效率低下而損失了 375mW。我們的設(shè)備必須消耗 450mW 的總功率。為傳感器添加更多智能功能將需要更多電流，這對于設(shè)備的功耗來說不是好消息。使用上面的計(jì)算，如果我們將傳感器電路電流增加到 30mA，則：I O = 30mA，P Sensor = 150mW，P SUP = 750mW，P Device = 900mW。900mW 超過了大多數(shù)小型接近傳感器的功耗限制。所以，散熱是個(gè)大問題。

傳統(tǒng) LDO 電源解決方案的替代方案是使用小型 DC-DC 電源模塊。如圖 4 所示，在 15mA 傳感器電流和保守的 75% 效率下，DC-DC 電源模塊的功率損耗僅為 25mW。這有助于將總器件功耗從 450mW 降至 100mW，功耗降低 4.5 倍。

圖 4. 電源耗散 - LDO 與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案

由于 DC-DC 電源模塊的高效率，傳感器可以支持更多的電路和功能，因?yàn)闊崃孔钚』⒅С指嗟膫鞲衅麟娏鳌?a target="_blank">Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列提供了一些非常適合微型傳感器的電源模塊示例：MAXM17532是一款 100mA 超緊湊型寬輸入電壓 uSLIC 器件，以及MAXM17552可在高達(dá) 60V 的輸入電壓下工作。這些緊湊型模塊可節(jié)省空間、減少熱量并有助于簡化電源設(shè)計(jì)。

隨著工業(yè) 4.0 繼續(xù)推動對智能傳感器的需求，借助高度集成的 DC-DC 電源模塊，解決為這些傳感器供電的挑戰(zhàn)現(xiàn)在變得更加容易。

審核編輯：郭婷