歴史的に、産業分野のセンサーは、多くの場合アナログでしたが、今でもそうです。 それらには、センシング要素と、センシング データをコントローラーに取得するための何らかの方法が含まれています。 データは一方向のアナログです。 次に、デジタル オン/オフ信号を提供し、誘導、容量、超音波、光電などの検出要素を含むバイナリ センサーが登場しました。 半導体 スイッチング素子。 出力は、ハイサイド (HS) スイッチング (PNP) またはローサイド (LS) スイッチング (NPN) またはプッシュプル (PP) です。 しかし、データは依然として センサー エラー制御がなく、手動校正などの作業のために工場の現場に技術者が必要でした。
「インダストリー 4.0」、スマート センサー、再構成可能な工場フロアの要求を満たすには、より優れたソリューションが必要でした。 ソリューションは、驚異的な成長軌道を示している産業用センサーの比較的新しい標準である IO-Link プロトコルです。
IO-Link 組織は、現在までに 16 万以上の IO-Link 対応ノードがフィールドで使用されていると推定しています。 その数は今も増え続けています。
図1: IO-Linkプロトコルの急速な成長 (画像: IO-Link Consortium)
IO-Linkは標準化された テクノロジー (IEC 61131-9) は、産業システムのセンサーとアクチュエーターがコントローラーとどのように相互作用するかを規制します。 IO-Link は、標準化されたコネクタ、ケーブル、プロトコルを使用したポイントツーポイント通信リンクです。 IO-Link システムは、業界標準の 3 線式センサーおよびアクチュエータ インフラストラクチャ内で動作するように設計されており、IO-Link マスター製品と IO-Link デバイス製品で構成されています。
IO-Link 通信は、20 つのマスターと 3 つのデバイス (センサーまたはアクチュエーター) の間で行われます。 通信はバイナリ (半二重) で、シールドされていないケーブルを使用して 20 m に制限されます。 通信には 30 線式インターフェース (L+、C/Q、および L-) が必要です。 IO-Link システムの供給範囲は、マスターの場合は 18 V ～ 30 V、デバイス (センサーまたはアクチュエーター) の場合は XNUMX ～ XNUMX V です。
マキシムのIO-Linkハンドブック1 は、IO-Link の利点を次のように詳しく説明しています。
「IO-Link は、従来のバイナリ センサーまたはアナログ センサーをインテリジェント センサーにするテクノロジーであり、データを収集するだけでなく、ユーザーが他のセンサーの状態や状態に関するリアルタイムのフィードバックに基づいてリモートで設定を変更できるようにします。実行する必要がある製造作業だけでなく、ライン上で。 IO-Link テクノロジにより、プロトコル スタックと IO Device Description (IODD) ファイルを使用して構成可能なセンサー ポートを有効にする共通の物理インターフェイスを介してセンサーを交換できるようになります。 オンザフライでパラメーターを再構成する機能を提供しながら、真のプラグアンドプレイ対応です。」
工場のネットワーク階層内では、IO-Link プロトコルはエッジに位置します。エッジは通常、図に示すようにセンサーとアクチュエーターです。 図2. 多くの場合、エッジ デバイスは、IO-Link プロトコルを選択したフィールドバスに変換するゲートウェイと通信します。
図 2: IO-Link プロトコルは、インテリジェント エッジ デバイスを工場ネットワークに接続するために使用されます。 (画像: マキシム・インテグレーテッド)
IO-Link が次世代の製造環境または産業用 IoT (と呼ばれることもあります) をどのように実現するかについての詳細は、これについて詳しく説明している以前の記事を参照してください。2.
IO-Link センサーの設計
産業用フィールド センサーは、熱放散を最小限に抑えるために、頑丈で小型で、エネルギー効率に優れている必要があります。 ほとんどの IO-Link センサーには、次のコンポーネントがあります。
- 関連するアナログ フロント エンド (AFE) を備えた検出素子
- データを処理するマイクロコントローラー (IO-Link センサーの場合) は、軽量のプロトコル スタックも実行します。
- 物理層であるIO-Linkトランシーバー。
- 電源および多くの場合保護 (サージ用の TVS、EFT/バースト、ESD など)。
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放熱（電力効率）
典型的なコンポーネントを理解したら、仮想センサーの電力がどのように割り当てられるかを確認できます。 見る 図3. これらの数値はすべて推定値です。 彼らは、センサーの総システム消費電力を見積もる際に、トランシーバー (出力段) の消費電力が重要であることを示しています。
古い世代の IO-Link センサーを指定する最も左側から始めましょう。 こうすることで、マイクロコントローラー (MCU) と出力段 (つまりトランシーバー) の技術の進歩が、長年にわたってシステム全体の電力の低下にどのように貢献しているかがより明確になります。
オリジナルまたは第 400 世代の IO-Link トランシーバーは、100 mW 以上を消費しました。 最新の低電力マキシム IO-Link トランシーバーの消費電力は 180 mW 未満です。 また、MCU も役に立ちました。 従来の MCU は最大 50 mW を消費しますが、新しい低電力 MCU は XNUMX mW まで下げることができます。
最先端の IO リンク トランシーバーを低電力 MCU と組み合わせることで、センサーの総電力量を 400 mW ～ 500 mW の範囲に保つことができます。
消費電力は熱放散に直接関係します。 センサーが小さいほど、消費電力の仕様が厳しくなります。 いくつかの見積もりによると、直径 8 mm (M8) の密閉型円筒形 IO-Link センサーは 400 mW の最大電力損失を指定し、直径 12 mm (M12) の密閉型円筒形 IO-Link センサーは 600 の最大電力損失を指定します。 mW.
そして技術はどんどん良くなっています。 Maxim Integrated の新しい IO-Link トランシーバーの 14827 つである MAX70A は、100 mA の負荷を駆動するときに 2.3 mW という非常に低い電力を消費します。 これは、テクノロジーを最適化して、XNUMX Ω (typ.) の非常に低い R を実現することで実現されています。ON (オン抵抗)。
図 3: 仮想の IO-Link 産業用センサーの電力バジェット。 (画像: Maxim Integrated Products)
非常に低い動作電流、たとえば 3 ～ 5mA を使用し、3.3V または 5V の電源を必要とするセンサーの場合。 安定化電源は LDO を介して供給できます。 実際、マキシムの IO-Link トランシーバーには統合 LDO が含まれています。 しかし、電流需要が例えば 30 mA に増加すると、LDO はすぐにシステムの電力/熱放散の主要なソースになります。 30 mA で比較すると、LDO の消費電力は 600 mW にもなる可能性があります。
LDO 電力 @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
比較すると、DC-DC 降圧 コンバータ 30V 出力の 3mA センサーへの供給 電圧 消費電力はわずか 90 mW です。 コンバータの効率が 90% (わずか 9 mW の電力損失) であると仮定すると、全体の消費電力はわずか 90 + 9 = 99 mW になります。 3.
マキシムの最新のIO-Linkトランシーバは、高効率DC-DCを統合しています。 レギュレーター に示すように 図4.
図 4: マキシムの最新の MAX22513 IO-Link トランシーバーには、統合された高効率 DC-DC レギュレーターが組み込まれています。 (画像: Maxim Integrated Products)
IO-Linkセンサーのサイズ
熱放散に続いて、サイズはすべての産業用センサーにとって次に大きな関心事であり、新しい IO-Link センサーにも同様に当てはまります。 より小さなフォーム ファクターに移行するにつれて、ボード スペースはますます貴重になってきます。
図5 は、直径 12 mm のハウジングの場合、ウェーハ レベル パッケージ (WLP) のトランシーバーと DC-DC を幅 10.5 mm の通常の PCB 上に並べて配置できることを示しています。 同じ側にビアとワイヤ用のスペースがまだあります。 センサー ハウジングが 6 mm の場合、PCB の幅は 4.5 mm になります。 次に、小さな WLP パッケージでも、PCB の両面にチップを取り付ける必要があります。
図 5: 最新の IO-Link センサー設計におけるもう XNUMX つの大きな問題はサイズです。 (画像: Maxim Integrated Products)
これらのサイズを有効にするには、最小サイズを可能にする WLP でトランシーバーを使用できる必要があります。 このサイズ制限は、前に示したように、最新の IO-Link トランシーバー内に DC-DC を統合した理由の XNUMX つでもあります。
ただし、ほとんどの産業用センサーは、過酷な環境でも動作するように設計する必要があります。つまり、図には示されていない TVS ダイオードなどの保護回路を組み込む必要があります。 図5. ここで、IO-Link トランシーバーの絶対最大定格仕様に注意を払うことが重要です。
詳しく説明しましょう: I/O の 65-V 絶対最大定格がセンサー サブシステムのサイズを縮小するのはなぜですか? 通常、センサーは 4 ピン (GND、C/Q、DI、DO) 間のサージ パルスに耐える必要があります。 マキシムの IO-Link トランシーバーの仕様は、65V の絶対最大定格です。 C/Q と GND 間の 1 V で 24 KV のサージを例にとります。
C/Q と GND 間の電圧 = TVS クランプ電圧 + TVS 順方向電圧
より高い絶対最大定格仕様により、設計者は、クランプ電圧が 33 A で 60 V、TVS 順方向電圧が 24 A で 1 V の SMAJ24 などの小型 TVS ダイオードを使用できます。
C/Q と GND 間の電圧 = 61V
上記のこの値は、マキシム トランシーバーの絶対最大定格仕様内です。
ただし、絶対最大定格の仕様がこれよりも低い場合 (業界では通常、約 45 V)、電圧を許容レベルにクランプするには、SMCJ33 などのはるかに大きな TVS ダイオードが必要です。 このダイオードは、マキシムのトランシーバーに必要なサイズの 3 倍以上のサイズです。
トランシーバーの絶対最大定格仕様が低い場合、センサー設計全体におけるより大きな TVS ダイオードのサイズへの影響は重要です。 テーブル1 PCB 面積の推定差を示します。 ここでの前提は、センサーが ±1 KV/24 A の高レベルのサージに耐えられる必要があるということです。
表1: センサーサイズに対する65Vの絶対最大定格の利点 (画像: Maxim Integrated Products)
次世代の IO-Link トランシーバーは、これをさらに改善しています。 マキシムの新しい IO-Link トランシーバーは、IO-Link ライン インターフェース ピン (V24、C/Q、DI、および GND) に統合保護機能を備えています。 すべてのピンは、統合された ±1.2 kV/500 Ω サージ保護を備えています。 さらに、すべてのピンは逆電圧保護、短絡保護、およびホットプラグ保護も備えています。
統合された保護機能と統合された DC-DC 降圧レギュレータを備えたこれらのデバイスは、小型の WLP パッケージ (4.1 x 2.1 mm) で提供されます。 小型の IO-Link センサー設計を可能にします。
まとめ
第一世代の IO-Link トランシーバー技術は、小型センサー設計のニーズを満たす統合 LDO を備えた使いやすい TQFN パッケージで提供されました。 電力とサイズに関する考慮事項が実装されると、第 XNUMX 世代のトランシーバー テクノロジは、R を下げるテクノロジに移行することで消費電力を最適化しました。ON 消費電力をさらに削減するために、さらに小型の WLP パッケージで提供されました。
最新世代のトランシーバーは、センサー サブシステムのサイズと熱放散をさらに削減するために、保護と高効率 DC-DC 降圧レギュレーターの両方を統合する必要があることを認識しています。 図6 は、Maxim Integrated の IO-Link トランシーバー技術の高度な進歩を示しています。
図 6: IO-Link トランシーバー技術の進歩 (画像: Maxim Integrated Products)
IO-Link テクノロジがさらに多くの産業用センサーに導入されるにつれて、これらのデバイス仕様は、小型で耐久性のある電力効率の高いセンサーを実装するための鍵となります。
1 https://www.maximintegrated.com/content/dam/files/design/technical-documents/handbooks/io-link-handbook.pdf
2 https://www.eletimes.com/io-link-enables-industrial-iot
3 https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6908.html
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