防浪涌您的工业传感器

现代工业传感器必须在恶劣和苛刻的工业环境中可靠运行，在这些环境中，它们容易受到大浪涌电压和机械应力的影响。这对他们使用的直流电源提出了相当大的要求。在介绍使用uSLIC™电源模块的最稳健、可靠和高效的解决方案之前，我们考虑了设计这种直流电源的不同方法的优点。

介绍

工业传感器继续变得越来越小、越来越智能，而它们的工作环境也越来越大，要求越来越高。由于数以千计的设备彼此靠近运行，它们的电源很快就会被交叉污染。因此，调节电压电平可能与其标称值只有模糊的相似之处。在此设计解决方案中，我们回顾了在工业环境中运行的传感器所面临的挑战、常见的缓解解决方案及其局限性。然后，我们提出了一种更简单的解决方案，可以在更小的区域内提供更高的鲁棒性和可靠性。

传感器环境

工业传感器用于监控工业过程中目标数量的状态。例如，显示了用于检测生产线上原材料移动的接近传感器。使用传感器测量的其他量的示例包括温度和压力。

传感器可能位于工厂车间的任何地方。它们本质上是模拟或数字的，通常从隔离的 24V 直流电压源接收电源。控制器（通常是 PLC）通过数字或模拟 I/O 模块接收来自传感器的信息，并向 通过现场总线执行器。许多现代传感器都包括一个IO-Link接口，可以持续监控传感器的状态，有助于提高工厂吞吐量并实现自适应制造。IO-Link 允许在传感器级别做出决策，无需等待 PLC。 图2所示为典型的工业传感器系统。®

图2.典型的工业传感器系统。

该接口处理数据传输，并将 24V DC 电源路由至降压稳压器。稳压器向微控制器和检测元件提供 5V 或 3.3V 电压。然而，24V至5V/3.3V下变频是一个在功率损耗和空间占用方面可能代价高昂的步骤，并且可能需要冗长的定制设计。此外，工厂车间可能是一个非常具有挑战性的环境，长电缆和强电磁干扰导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器必须能够承受远高于传感器工作电压（高达50V）的电压瞬变。

传统LDO解决方案

如果传感器电流消耗较小，则通常会考虑LDO解决方案，因为它具有小尺寸和易于设计的优点。然而，该解决方案的耗散率仅为21% （5V/24V）。如果电流很高，就像现代传感器一样（通常消耗10mA或更高的电流），那么这种解决方案需要一个笨重的散热器，LDO的尺寸优势就消失了。

切换台解决方案

LDO最常见的替代方案是使用高效开关稳压器，例如带有分立电感器、电容器和电阻器的降压稳压器IC。它们具有更高的效率，因此散热更少的优点 - 随着传感器在不断缩小的外壳中包装更多功能，这一点变得越来越重要。然而， 这些可能需要知识密集型， 耗时的定制设计以及仔细的 PCB 布局以最小化空间.

最近，稳压器“模块”已经问世，它将降压转换器IC和电感器封装在一个封装中。图3显示了此类典型解决方案的元件布局（总元件面积为47.2mm）2).

图3.降压转换器模块组件布局。

该模块可在最大 40V 直流输入下工作。虽然这似乎比标称 24V DC 电源提供了很大的裕量，但如果发生超过此电压的瞬态电压，它将无法正常工作。TVS二极管通常用于保护IC免受瞬态浪涌电压的影响，但在这种情况下，它不是一个合适的选择。为了使稳压器在其最大工作电压（40V）下不受阻碍地工作，TVS的反向击穿电压必须接近该值。一个这样的TVS符合这个标准（SMAJ33A）。但是，其最大钳位电压为53V，在高能量浪涌的情况下可能会达到。在此电压下出现浪涌时，稳压器将不再工作，并可能损坏。

更高的电压裕量

为了使传感器在高达50V的浪涌电压下受到保护，显然需要一个能够达到此水平的稳压器。图 4 显示了满足此标准的解决方案。

图4.MAXM17552 μSLIC 5V外，100mA降压解决方案。

这款微型系统级 IC （uSLIC™） 可在 4V 至 60V 的输入电压范围内工作，可提供 100mA 的输出电流和 0.9V 至 5V 的稳压输出电压。此外，如图5所示，该稳压器的效率超过80%（在24V输入电压下），而总元件面积仅为14.3mm2.与以前的解决方案相比，这几乎节省了 66% 的面积。

图5.MAXM17552电源效率。

稳健的环境

同样重要的是，电源能够承受机械应力。该模块符合JESD22-B103/B104/B111跌落、冲击和振动标准。此外，打嗝过流和过热保护，加上 -40°C 至 +125°C 的工作温度范围，使该模块在最恶劣的工业、汽车、医疗和军事环境中具有鲁棒性。对于更高的负载（300mA），也采用高达60V的输入电压工作，MAXM15064喜马拉雅uSLIC模块提供2.6mm×3mm封装。

结论

我们已经讨论了在更小的工业传感器中快速提供更高功率、更高效、产生最少热量的挑战。我们 了解 了 典型 LDO 解决方案 如何 存在 效率 不足 的 问题， 而 使用 开关 稳压器 IC 的 定制 设计 可能 困难 且 耗时。我们还展示了最大输入电压为 40V 的电源模块对于现代工业环境来说不够坚固。作为解决方案，我们展示了两个坚固耐用的电源模块，输入电压范围为60V，可以在最苛刻的工业环境中运行。除工业传感器外，它们还适用于电机编码器、HVAC 和楼宇控制应用。

审核编辑：郭婷