無論過去或是現在，在許多情況下，工業傳感器都采用模擬。其中包含感測組件，以及將感測數據傳輸至控制器的某種方式。數據采用單向模擬方式進行傳輸。之后出現了二進制傳感器，該傳感器提供數字開/關訊號，包含成測組件（電感、電容、超音波、光電等）和半導體切換組件。其輸出可能是：高側（HS）開關（PNP）或低側（LS）開關（NPN），或者是推挽式（PP）。但數據仍然受到限制，只能從傳感器單向傳輸至主機，不提供錯誤控制，且仍然需要現場技術人員來執行手動校準等任務。
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，而該解決方案就是IO-Link協議，此為一種相對較新的工業傳感器標準，并且呈現迅速成長的態勢。
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。


 
圖一 : 據IO-Link聯盟追蹤顯示，IO-Link協議應用快速成長（source：https://io-link.com/en/）

IO-Link為一種標準化技術（IEC 61131-9），規定工業系統中的傳感器和執行器如何與控制器通訊。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系統設計用于工業標準3線傳感器和執行器基礎設施，由IO-Link主機和IO-Link組件產品組成。
IO-Link通訊在一個主機和一個組件（傳感器或執行器）之間進行。通訊采用二進制（半雙工）形式，使用非屏蔽電纜時，通訊距離限制在20m內。進行通訊需要使用三線式接口（L+、C/Q和L-）。在IO-Link系統中，主機的供電范圍為20V至30V，組件（傳感器或執行器）的供電范圍為18至30V。
在工廠網絡層次結構中，IO-Link協議位于邊緣，該位置通常部署傳感器和驅動器，如圖二所示。很多時候，邊緣組件與網關通訊，網關將IO-Link協議轉換為所選的現場總線。


 
圖二 : IO-Link協議用于將智能邊緣組件連接至工廠網絡。

設計IO-Link傳感器
工業現場傳感器必須堅固、精巧且節能，以盡可能降低散熱需求。大多數IO-Link傳感器包含以下組件：
? 具有相關模擬前端（AFE）的感測組件;
? 用于處理數據的微控制器，在使用IO-Link傳感器的情況下，也運行輕量級協議堆棧;
? 作為物理層的IO-Link收發器;
? 電源，以及在許多情況下提供的保護功能（用于提供涌浪保護的TVS、EFT/突發、ESD等）。

散熱（能效）
了解這些典型組件之后，我們來看看考慮如何預估假定傳感器的功率（圖三）。所有這些數值都是估算值。圖中數值顯示，在考慮傳感器的總系統功耗預算時，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，多年來微控制器（MCU）和輸出級（例如收發器）的技術進步，對于降低系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的低功耗IO-Link收發器的功耗低于100mW。此外，MCU也有助于降低功耗。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新款IO-Link收發器，在驅動100mA負載時，其功耗非常低，僅70mW。此為透過優化技術，提供非常低（典型值）導通電阻RON來實現。


 
圖三 : 假設的IO-Link工業傳感器功率預算。

對于工作電流非常低（例如3到5mA）并且要求使用3.3V和/或5V電源的傳感器；可透過LDO提供穩壓電源。事實上，ADI的IO-Link收發器整合了一個LDO，但隨著所需的電流增加到30mA，LDO很快會成為系統中主要的供電/散熱源。在30mA時，LDO的功耗可能高達600mW。
LDO Power @30mA = （24-3.3） x 30mA = 621mW
30mA時，LDO功率 = （24-3.3） x 30mA = 621mW
相較之下，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），那么總功耗僅為90 + 9 = 99mW 3。

如圖四所示，ADI新推出的IO-Link收發器整合了一個高效DC-DC穩壓器。


 
圖四 : ADI新推出的IO-Link收發器整合了高效DC-DC穩壓器。

IO-Link傳感器尺寸
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。隨著逐漸轉向更精巧的外型尺寸，板面空間變得越來越重要。
圖五顯示，對于直徑為12mm的外殼，收發器（采用晶圓級封裝-WLP-封裝）和DC-DC可以并排部署在寬度為10.5mm的標準PCB上。在同一側還有空余空間，可以部署通孔和布線。如果傳感器外殼直徑為6mm，那么PCB寬度可以減小至4.5mm。在此種情況下，即使采用小型WLP封裝，芯片也必須安裝在PCB兩側。


 
圖五 : 在新型IO-Link傳感器設計中，尺寸是另一大問題。

要實現這些尺寸，收發器必須采用晶圓級封裝（WLP），以實現更精小尺寸。此種尺寸限制也是ADI在新型IO-Link收發器中整合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（圖五中未顯示），因此需注意IO-Link收發器的絕對最大額定值規格。
為什么IO的絕對最大額定電壓為65V有助于減小傳感器子系統的尺寸？通常，傳感器需承受4個接腳之間的涌浪脈沖：GND、C/Q、DI、DO。ADI 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涌浪下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收發器的絕對最大額定值范圍內。
但是，如果絕對最大額定值更低，業界一般在45V左右，就需要一個更大的TVS二極管，例如SMCJ33，用于將電壓箝位到可接受的水平。此二極管的尺寸比ADI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，那么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面積的估算差異。此處假設傳感器必須能夠承受±1KV/24A高位準涌浪。

絕對最大額定值為65V的

IO-Link收發器 絕對最大額定值為45V的

IO-Link收發器

最小的TVS二極管 SMAJ33 SMCJ33

最大電壓 61V 45V

總PCB面積 40.5mm2 144mm2

表一：65V絕對最大額定值對傳感器尺寸的優勢

下一代IO-Link收發器在此基礎上進行了改善。ADI新推出的IO-Link收發器在IO-Link線路界面接腳（V24、C/Q、DI和GND）上整合了保護功能。所有接腳整合±1.2kV/500Ω涌浪保護。此外，所有接腳也提供反向電壓保護、短路保護和熱插入保護。
即使具有所有整合保護功能和整合式DC-DC降壓穩壓器，這些組件也可以采用微型WLP封裝（4.1mm x 2.1mm）；實現非常精巧的IO-Link傳感器設計。

結論
圖六顯示ADI IO-Link收發器的技術進展情況。


 
圖六 : IO-Link收發器的技術進展

第一代IO-Link收發器技術采用易于使用的TQFN封裝，整合LDO，可滿足小型傳感器設計的需求。基于功率和尺寸考慮，第二代收發器技術優化了功耗，采用可降低RON的技術進一步降低功耗，而且可使用更精巧的WLP封裝。
最新一代收發器考慮到需要整合保護和高效DC-DC降壓穩壓器，以進一步縮減傳感器子系統的尺寸和散熱。
隨著越來越多的工業傳感器采用IO-Link技術，這些組件規格已經成為實現精巧、堅固、節能傳感器的關鍵。

（本文作者Suhel Dhanani為ADI工業及醫療健康事業部業務開發總監）

延伸閱讀  IO-Link技術的優勢

「IO-Link為一種技術，能夠將傳統的二進制或模擬傳感器變成智能傳感器，其不再只是收集數據，還允許用戶根據擷取的有關在線其他傳感器的健康和狀態的實時回饋，以及需要執行的操作，在遠程更改其設定。IO-Link技術透過一個通用物理接口，使傳感器變得可以互換，該接口使用協議堆棧和IO組件描述（IODD）文件來實現可配置的傳感器端口。其可切實做到即插即用，并且能夠實時重新配置參數。」