如何通过电源设计节省时间和空间

电子

从工业物联网 (IIoT) 到网络基础设施设备，下一代电子系统正在注入新的智能，在不断缩小的空间中需要更多的功率，而不会影响热预算。因此，传统的解决方案并不适合。然而，考虑到上市时间压力，设计人员没有大量时间来设计电源，他们必须在有限的空间内努力散热，同时满足冲击、振动和 EMI 要求。

在不过热的情况下可靠地为缩小的设备和传感器供电的最佳方法是什么？并快速创建这些电源设计？

传感器历来包括一个传感元件和一些将传感数据传输到可编程逻辑控制器 (PLC) 的方法。数据将是单向的并以模拟格式传输。然而，模拟数据通信容易产生噪声，控制器无法直接诊断、重新配置或重新校准传感器。随着时间的推移，技术不断进步，传感器制造商开始将更多功能集成到这些设备中，同时通过二进制传感器降低噪声敏感性。在二进制传感器中，数据仍仅限于单向通信，工厂车间仍需要技术人员来处理手动校准等任务。

图 1. 数字制造环境依赖智能传感器获得实时洞察

IO-Link 的出现通过允许传感器和控制器之间的双向通信将智能带到了工厂车间的边缘（图 2）。借助此功能，系统可以实时调整、配置和诊断传感器——这正是满足工业 4.0 和智能工厂的需求所需要的。

与为单一产品建造和优化的传统工厂不同，智能工厂旨在快速适应市场需求的变化。实时诊断功能有助于预测性维护，并可以延长工厂正常运行时间。

图 2. 带有 IO-Link 传感器的 PLC

智能传感器的智能特性增加了这些传感器的功耗。与此同时，工业设备制造商也有向小型化方向发展的趋势。这意味着为智能传感器供电需要解决热量和尺寸方面的挑战。为了说明这些挑战，让我们考虑一个带有 IO-Link 的智能接近传感器（图 3）。在此应用中，微控制器从传感元件收集数据，对其进行线性化和校准，然后将其发送到 IO-Link 收发器。从这里，数据被发送到系统 PLC。IO-Link 连接器还提供 24V 为传感器供电。

图 3. 带有 IO-Link 的智能接近传感器示例

传感器电路的传统电源解决方案将涉及低压差线性稳压器 (LDO)。让我们看看传感器电路、电源和整个设备的功耗。老式模拟传感器电路通常消耗大约 15mA。24V 工业电源轨最高可达 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 用于实际工作（为传感器电路供电），而 LDO 由于效率低下而损失了 375mW。我们的设备必须消耗 450mW 的总功率。为传感器添加更多智能功能将需要更多电流，这对于设备的功耗来说不是好消息。使用上面的计算，如果我们将传感器电路电流增加到 30mA，则：I O = 30mA，P Sensor = 150mW，P SUP = 750mW，P Device = 900mW。900mW 超过了大多数小型接近传感器的功耗限制。所以，散热是个大问题。

传统 LDO 电源解决方案的替代方案是使用小型 DC-DC 电源模块。如图 4 所示，在 15mA 传感器电流和保守的 75% 效率下，DC-DC 电源模块的功率损耗仅为 25mW。这有助于将总器件功耗从 450mW 降至 100mW，功耗降低 4.5 倍。

图 4. 电源耗散 - LDO 与 DC/DC 转换器解决方案

由于 DC-DC 电源模块的高效率，传感器可以支持更多的电路和功能，因为热量最小化并支持更多的传感器电流。Maxim 的 Himalaya uSLIC 系列提供了一些非常适合微型传感器的电源模块示例：MAXM17532是一款 100mA 超紧凑型宽输入电压 uSLIC 器件，以及MAXM17552可在高达 60V 的输入电压下工作。这些紧凑型模块可节省空间、减少热量并有助于简化电源设计。

随着工业 4.0 继续推动对智能传感器的需求，借助高度集成的 DC-DC 电源模块，解决为这些传感器供电的挑战现在变得更加容易。从我在电子设计中的文章“通过超小型电源设计实现设计创新”中了解有关此主题的更多信息。