【導(dǎo)讀】工業(yè)傳感器電源領(lǐng)域目前創(chuàng)新迭出，但也充滿挑戰(zhàn)。智能邊緣的實(shí)現(xiàn)需要智能數(shù)據(jù)方面的準(zhǔn)備。這就需要在電源方面進(jìn)行創(chuàng)新。在某些情況下，智能邊緣傳感器需要由單對(duì)雙絞線電纜供電，單對(duì)以太網(wǎng)供電(SPoE)解決方案可以滿足需要。在其他應(yīng)用中，納安級(jí)功耗解決方案有助于節(jié)省能源，從而在傳感器側(cè)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池運(yùn)行時(shí)間。此外，一些智能傳感器需要超低噪聲 電源，以使傳感器數(shù)據(jù)不受影響。最后，在邊緣添加傳感器智能將需要使用功率密度更高的電源。這是因?yàn)?，新傳感器需要適應(yīng)現(xiàn)有的外形尺寸。
問(wèn)題：智能邊緣正擴(kuò)展到全行業(yè)，逐漸替代原有的邊緣傳感器和執(zhí)行器。智能邊緣可以使用常見(jiàn)的傳統(tǒng)電源嗎？
答案：在某些情況下可以，但在大多數(shù)情況下不行！我們需要設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)、更先進(jìn)的電源。
摘要
本文介紹了智能邊緣傳感器的不同實(shí)現(xiàn)示例，以及如何選擇和調(diào)整電源管理解決方案以提供理想解決方案。本文還探討了目前可用的一些傳感器解決方案。
引言
工業(yè)傳感器電源領(lǐng)域目前創(chuàng)新迭出，但也充滿挑戰(zhàn)。智能邊緣的實(shí)現(xiàn)需要智能數(shù)據(jù)方面的準(zhǔn)備。這就需要在電源方面進(jìn)行創(chuàng)新。在某些情況下，智能邊緣傳感器需要由單對(duì)雙絞線電纜供電，單對(duì)以太網(wǎng)供電(SPoE)解決方案可以滿足需要。在其他應(yīng)用中，納安級(jí)功耗解決方案有助于節(jié)省能源，從而在傳感器側(cè)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池運(yùn)行時(shí)間。此外，一些智能傳感器需要超低噪聲 電源，以使傳感器數(shù)據(jù)不受影響。最后，在邊緣添加傳感器智能將需要使用功率密度更高的電源。這是因?yàn)?，新傳感器需要適應(yīng)現(xiàn)有的外形尺寸。
什么是智能邊緣
“智能邊緣”一詞是指工業(yè)系統(tǒng)中可以獨(dú)立選擇和處理數(shù)據(jù)的傳感器。傳感器和中央控制單元之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度較小。當(dāng)然，要處理傳感器提供的數(shù)據(jù)，需要 使用微控制器。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是用于檢測(cè)特定信息的光學(xué)傳感器。例如，它可以檢測(cè)不小心踏入自動(dòng)化制造區(qū)域、從而將自己置于危險(xiǎn)之中的人員。處理圖像數(shù)據(jù)時(shí)，必須確保能夠 準(zhǔn)確無(wú)誤地識(shí)別人員，以便快速做出響應(yīng)，關(guān)停機(jī)器。這應(yīng)該有助于防止傷害。其目標(biāo)是在智能邊緣處理圖像數(shù)據(jù)。只有一個(gè)信號(hào)（即，在攝像頭視野中檢測(cè)到的人）被傳輸?shù)街醒胗?jì)算機(jī)。不再需要將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胗?jì)算機(jī)。因此，需要的傳輸帶寬更低，傳輸也得以簡(jiǎn)化。
智能邊緣是如何設(shè)計(jì)的
通過(guò)在智能邊緣添加處理單元（微控制器），就可以創(chuàng)建智能傳感器。然而，該單元的電流消耗較高。為了提供傳感器所需的更高電流，我們需要新的供電概念。對(duì)于現(xiàn)有工業(yè)廠房和基 礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)，尤其如此。除了實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸之外，解決方案還應(yīng)能夠輕松且安全地滿足更高電流需求。
使用現(xiàn)有2線電纜（例如4 mA至20 mA接口）實(shí)現(xiàn)智能邊緣
SPoE可以通過(guò)2線電纜來(lái)用作電源，因此有助于實(shí)現(xiàn)智能邊緣。SPoE與以太網(wǎng)供電(PoE)類似，但可以使用現(xiàn)有2線電纜（例如4 mA至20 mA接口）來(lái)實(shí)現(xiàn)。SPoE可將高達(dá)52 W的功率傳輸400米的距離，或?qū)⒏哌_(dá)20 W的功率傳輸長(zhǎng)達(dá)1千米的距離。SPoE在IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)中作出了規(guī)定。線路的工作電壓為24 V或55 V。這種電源的特點(diǎn)是能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸可以在同一根2線電纜上進(jìn)行。數(shù)據(jù)通信基于10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)。圖1顯示了SPoE通過(guò)一根長(zhǎng)達(dá)1 km的2線電纜提供高達(dá)52 W的功率。
圖1. SPoE通過(guò)一根長(zhǎng)達(dá)1 km的2線電纜提供高達(dá)52 W的功率。
工業(yè)環(huán)境中的納安級(jí)功耗傳感器
在智能邊緣的應(yīng)用場(chǎng)景中，工業(yè)環(huán)境中的低功耗傳感器的一個(gè)例子是振動(dòng)傳感器，它們分布在加工廠中，用以監(jiān)測(cè)每臺(tái)機(jī)器。
記錄的振動(dòng)對(duì)應(yīng)于不同的頻率，提供關(guān)于機(jī)械軸承和軸是否仍能可靠運(yùn)行的指示。從中可以識(shí)別出老化的早期跡象。通過(guò)這種方式可以降低計(jì)劃外資產(chǎn)停機(jī)或超出特定運(yùn)行容差的可能性。對(duì)振動(dòng)的精密測(cè)量使得這種反應(yīng)成為可能。振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需要復(fù)雜的算法來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)估大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理可以在部署位置本地進(jìn)行，或在中央位置進(jìn)行。若采用集中評(píng)估，所有收集到的傳感器數(shù)據(jù)都必須通過(guò)電纜傳輸，或通過(guò)無(wú)線電波無(wú)線傳輸。
在許多應(yīng)用中，直接在傳感器上本地實(shí)施數(shù)據(jù)評(píng)估是有利的。對(duì)于這樣的實(shí)施方案，現(xiàn)有工業(yè)廠房可以簡(jiǎn)單地配備振動(dòng)傳感器，無(wú)需鋪設(shè)額外的電纜。如果傳感器檢測(cè)到超出容差的頻率范圍，它即會(huì)發(fā)出規(guī)定的警告信號(hào)。
此類傳感器可以通過(guò)磁吸方式固定到機(jī)器或設(shè)備上，并且通常形成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)。在這種網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，各種傳感器相互通信，并傳輸有關(guān)哪個(gè)軸承顯示出明顯老化跡 象的信息。因此，工業(yè)廠房可以輕松具備預(yù)測(cè)性維護(hù)能力。ADI 公司的 OtoSense?智能電機(jī)傳感器(SMS)技術(shù)就是其中的一個(gè)例子。它是一種基于人工智能技術(shù)的完整硬件和軟件解決方案，用于狀態(tài)監(jiān)控。ADI OtoSense SMS通過(guò)將先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)與領(lǐng)先的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合來(lái)監(jiān)控電機(jī)狀況。
系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要先決條件是為傳感器提供適當(dāng)?shù)碾娫?。振?dòng)傳感器不僅必須為傳感器本身提供適當(dāng)?shù)碾娫?，還必須為用于評(píng)估數(shù)據(jù)的本地微處理器以及用于無(wú)線通信的RF模塊的操作提供適當(dāng)?shù)碾娫?。傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于盡可能降低電流消耗。它可以使用電池作為能源，或者使用能量收集。這兩種技術(shù)經(jīng)常一起使用。增加能量收集功能可延長(zhǎng)電池壽命， 這樣就不必頻繁更換電池。能量收集可以使用多種能源。根據(jù)傳感器的位置，可以使用太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)電機(jī)(TEG)或壓電轉(zhuǎn)換器。特別是在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，通常存在可以通過(guò)TEG轉(zhuǎn)換為電能的溫度梯度。借助壓電傳感器，機(jī)械運(yùn)動(dòng)也可以轉(zhuǎn)換為電能。
對(duì)于通過(guò)電池和能量收集等方式供電的設(shè)備，優(yōu)化電壓轉(zhuǎn)換十分重要。高效率是關(guān)鍵。有幾種不同的納安級(jí)功耗管理集成電路適用于此目的。
圖2所示為采用MAX38650的電壓轉(zhuǎn)換電路示例。它是一款100 mA納安級(jí)功耗降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。它可以在輸入側(cè)采用高達(dá)5.5 V的電源電壓，并且可提供1.2 V至5 V之間的穩(wěn)壓輸出電壓。在運(yùn)行期間，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器本身僅消耗390 nA的電流（典型值）。這是非常低的靜態(tài)電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)斷時(shí)，其僅消耗5 nA電流。傳感器數(shù)據(jù)不是連續(xù)獲取的，僅在發(fā)生故障時(shí)才需要通信。這意味著MAX38650可以經(jīng)常切換到省電模式，以進(jìn)一步節(jié)省能源。
圖2.用于電池供電傳感器的納安級(jí)功耗電壓轉(zhuǎn)換。
每個(gè)基本電壓轉(zhuǎn)換電路一般都有一個(gè)反饋引腳。為了提供穩(wěn)壓輸出電壓，需要一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器。然而，電阻分壓器在節(jié)能電路中沒(méi)有多大意義。根據(jù)具體電阻值，要么流經(jīng)分壓器 的電流過(guò)高，導(dǎo)致高損耗，要么電阻值很高，以致反饋節(jié)點(diǎn)具有非常高的阻抗。結(jié)果，噪聲會(huì)耦合到反饋節(jié)點(diǎn)并直接影響所需電壓的調(diào)節(jié)。干擾在工業(yè)廠房中是一個(gè)尤其突出的問(wèn)題。如 圖2所示，MAX38650有一個(gè)RSEL引腳。它使用單個(gè)電阻工作，該電阻用于設(shè)置輸出電壓。當(dāng)MAX38650開(kāi)啟時(shí)，200 μA的電流短暫流過(guò)該外部電阻。所得電壓用于設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換器整個(gè)工作持續(xù) 時(shí)間所需的輸出電壓。這是兩全其美的策略：工作期間的漏電流較低，輸出電壓可調(diào)且穩(wěn)健。
適用于超小信號(hào)且即使在低頻下噪聲也非常低的電源
許多傳感器可以測(cè)量非常小的信號(hào)。為了防止這些信號(hào)失真，必須使用噪聲非常低的電源。傳導(dǎo)和輻射干擾源是主要噪聲源。借助開(kāi)關(guān)模式電源開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)的附加濾 波器電路，可以大大減少傳導(dǎo)干擾，但對(duì)于輻射信號(hào)源而言，情況就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了。良好的電路板布局可以防范過(guò)多干擾輻射。即使如此，系統(tǒng)中仍然存在殘余噪聲耦合。只有通過(guò)良好 的屏蔽（即金屬外殼）才能減少這種情況。然而，此類屏蔽的制造不僅耗時(shí)長(zhǎng)，而且成本高。
采用Silent Switcher? 技術(shù)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供了一種非常巧妙的解決方案，可以有效地減少輻射干擾。任何開(kāi)關(guān)模式電源中出現(xiàn)的脈沖電流路徑都是對(duì)稱設(shè)計(jì)的，因此產(chǎn)生的磁場(chǎng)在很大程度上相互抵消。該技術(shù)與倒裝芯片技術(shù)相結(jié)合可以顯著減少輻射 干擾，后者消除了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC中的鍵合線。
輻射干擾可減少多達(dá)40 dB。這相當(dāng)于輻射功率減少到原來(lái)的萬(wàn)分之一。
圖3顯示了Silent Switcher技術(shù)的對(duì)稱設(shè)計(jì)，同時(shí)產(chǎn)生的局部脈沖電流以綠色顯示。脈沖電流產(chǎn)生不同極性的脈沖磁場(chǎng)，它們大部分相互抵消。
圖3.Silent Switcher技術(shù)大幅降低了輻射干擾。
Silent Switcher技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展到第三代。在這一代產(chǎn)品中，超低噪聲線性穩(wěn)壓器還采用了特殊的超低噪聲技術(shù)，以減少低頻范圍的干擾，特別是10 Hz至100 kHz之間的干擾。這一代Silent Switcher技術(shù)使得在許多應(yīng)用中可以省去開(kāi)關(guān)模式電源開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和敏感負(fù)載之間的濾波線性穩(wěn)壓器。
僅使用一個(gè)電感的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器適用于尺寸非常重要的應(yīng)用
有些傳感器需要放置在非常狹小的空間中，尤其是當(dāng)現(xiàn)有傳感器應(yīng)在同一位置替換為現(xiàn)代智能邊緣傳感器的時(shí)候。由于功能增強(qiáng)，通常還需要更多的電氣元件。因此，必須找到減小物理 尺寸的創(chuàng)新方法。
電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的一個(gè)有趣例子是單電感多輸出(SIMO)技術(shù)，它支持使用單個(gè)電感生成多個(gè)不同的輸出電壓。該技術(shù)可以節(jié)省原本要由多個(gè)電感占用的電路板空間。
圖4顯示了提供兩個(gè)精密調(diào)節(jié)輸出電壓的簡(jiǎn)單SIMO穩(wěn)壓器電路示例。額外的電源電壓可以輕松生成。僅需要一個(gè)電感L。
圖4.SIMO電源適用于超小型傳感器。
SIMO技術(shù)可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)蝹€(gè)電感連續(xù)用于所有單獨(dú)的輸出電壓。一定量的能量被置于電感中，然后用于產(chǎn)生電壓 VOUT1。之后，另一規(guī)定量的能量被置于電感中并用于產(chǎn)生電壓 VOUT2。通過(guò)這種方式，每個(gè)產(chǎn)生的電壓都正好獲得了保持其穩(wěn)定所需的能量。
結(jié)語(yǔ)：工業(yè)傳感器需要適應(yīng)性強(qiáng)的電源
本文介紹的電源領(lǐng)域創(chuàng)新都展示了如何為現(xiàn)代工業(yè)傳感器提供理想供電解決方案。傳感器變得越來(lái)越智能。它們生成的數(shù)據(jù)已經(jīng)在智能邊緣本地進(jìn)行評(píng)估。越來(lái)越多的傳感器被用于工業(yè)廠房，以幫助優(yōu)化流程并盡可能地減少停機(jī)時(shí)間。為了跟上這一趨勢(shì)，有必要采用能量收集等創(chuàng)新的供電概念。
（來(lái)源：ADI，作者：Frederik Dostal，電源管理專家）
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