역사적으로 산업용 필드 센서는 아날로그였으며 여전히 많은 경우 아날로그입니다. 여기에는 감지 요소와 감지 데이터를 컨트롤러로 가져 오는 방법이 포함됩니다. 데이터는 단방향 아날로그였습니다. 그런 다음 디지털 온 / 오프 신호를 제공하고 감지 요소 (유도 성, 용량 성, 초음파, 광전 등)를 포함하는 바이너리 센서가 출시되었습니다. 반도체 스위칭 요소. 출력은 하이 사이드 (HS) 스위칭 (PNP) 또는 로우 사이드 (LS) 스위칭 (NPN) 또는 푸시 풀 (PP) 일 수 있습니다. 그러나 데이터는 여전히 단방향 통신으로 제한되었습니다. 감지기 마스터에게 오류 제어가 없었으며 수동 교정과 같은 작업을 위해 여전히 공장 현장에 기술자가 필요했습니다.
"Industry 4.0", 스마트 센서 및 재구성 가능한 공장 현장의 요구 사항을 충족하려면 더 나은 솔루션이 필요했습니다. 솔루션은 경이적인 성장 궤도를 보여주는 산업용 센서의 비교적 새로운 표준 인 IO-Link 프로토콜입니다.
IO Link 조직은 현재까지 16 만 개 이상의 IO-Link 지원 노드가 현장에서 사용되고 있다고 추정합니다. 그 숫자는 여전히 증가하고 있습니다.
그림 1 : IO-Link 프로토콜의 급속한 성장 (이미지 : IO-Link Consortium)
IO-Link는 표준화된 technology (IEC 61131-9)은 산업용 시스템의 센서 및 액추에이터가 컨트롤러와 상호 작용하는 방식을 규제합니다. IO-Link는 표준화된 커넥터, 케이블 및 프로토콜을 갖춘 지점 간 통신 링크입니다. IO-Link 시스템은 업계 표준 3선 센서 및 액추에이터 인프라 내에서 작동하도록 설계되었으며 IO-Link 마스터 및 IO-Link 장치 제품으로 구성됩니다.
IO-Link 통신은 하나의 마스터와 하나의 장치 (센서 또는 액추에이터)간에 이루어집니다. 통신은 바이너리 (반이중)이며 차폐되지 않은 케이블을 사용하여 20m로 제한됩니다. 통신에는 3 선 인터페이스 (L +. C / Q 및 L-)가 필요합니다. IO-Link 시스템의 공급 범위는 마스터의 경우 20V ~ 30V이고 장치 (센서 또는 액추에이터)의 경우 18 ~ 30V입니다.
격언의 IO-Link 핸드북1 IO-Link의 장점은 다음과 같습니다.
“IO-Link는 기존의 바이너리 또는 아날로그 센서가 더 이상 데이터를 수집하는 것이 아니라 사용자가 다른 센서의 상태 및 상태에 대해 얻은 실시간 피드백을 기반으로 원격으로 설정을 변경할 수있는 지능형 센서가 될 수있는 기술입니다. 수행해야하는 제조 작업뿐 아니라 IO-Link 기술을 사용하면 프로토콜 스택과 IODD (IO Device Description) 파일을 사용하여 구성 가능한 센서 포트를 활성화하는 일반적인 물리적 인터페이스를 통해 센서를 교환 할 수 있습니다. 즉석에서 매개 변수를 재구성 할 수있는 기능을 제공하면서 진정한 플러그 앤 플레이 준비가되어 있습니다. "
공장 네트워크 계층 내에서 IO-Link 프로토콜은 가장자리에 있으며 일반적으로 그림과 같이 센서 및 액추에이터입니다. Fig. 2. 많은 경우 에지 장치는 IO-Link 프로토콜을 선택한 필드 버스로 변환하는 게이트웨이와 통신합니다.
그림 2 : IO-Link 프로토콜은 인텔리전트 에지 장치를 공장 네트워크에 연결하는 데 사용됩니다. (이미지 : Maxim Integrated)
IO-Link가 차세대 제조 환경 또는 산업용 IoT (때때로 불림)를 가능하게하는 방법에 대한 자세한 내용은이를 자세히 설명하는 이전 기사를 참조하십시오.2.
IO-Link 센서 설계
산업용 필드 센서는 열 방출을 최소화하기 위해 견고하고 작고 에너지 효율적이어야합니다. 대부분의 IO-Link 센서에는 다음 구성 요소가 있습니다.
- 연결된 아날로그 프런트 엔드 (AFE)가있는 감지 요소
- 데이터를 처리하는 마이크로 컨트롤러 (IO-Link 센서의 경우)도 경량 프로토콜 스택을 실행합니다.
- 물리적 계층 인 IO-Link 트랜시버.
- 전원 공급 장치 및 대부분의 경우 보호 (서지, EFT / 버스트, ESD 등을위한 TVS).
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열 손실 (전력 효율)
일반적인 구성 요소를 이해하면 가상 센서 전력의 예산이 어떻게 책정되는지 살펴볼 수 있습니다. 보다 Fig. 3. 이 수치는 모두 추정치입니다. 센서의 전체 시스템 전력 소비를 예산으로 책정 할 때 트랜시버 (출력 단계) 전력 소비가 중요하다는 것을 보여줍니다.
이전 세대의 IO-Link 센서를 지정하는 가장 왼쪽부터 시작하겠습니다. 이렇게하면 마이크로 컨트롤러 (MCU) 및 출력 단계 (즉, 트랜시버)의 기술 발전이 수년 동안 전체 시스템 전력을 낮추는 데 어떻게 기여했는지 분명해집니다.
원래 또는 400 세대 IO-Link 트랜시버는 100mW 이상을 소비했습니다. 최신 저전력 Maxim IO-Link 트랜시버는 180mW 미만을 소비합니다. 또한 MCU가 도움이되었습니다. 레거시 MCU는 최대 50mW를 소비하지만 최신 저전력 MCU는 XNUMXmW까지 낮출 수 있습니다.
저전력 MCU와 결합 된 최첨단 IO 링크 트랜시버는 총 센서 전력 예산을 400mW ~ 500mW 범위로 유지할 수 있습니다.
전력 손실은 열 손실과 직접적인 관련이 있습니다. 센서가 작을수록 전력 손실 사양이 더 엄격 해집니다. 일부 추정에 따르면 직경 8mm (M8) 밀폐형 원통형 IO-Link 센서는 최대 전력 손실을 400mW로 지정하고 12mm 직경 (M12) 밀폐형 원통형 IO-Link 센서는 최대 전력 손실을 600으로 지정합니다. mW.
그리고 기술은 계속 향상되고 있습니다. Maxim Integrated의 새로운 IO-Link 트랜시버 중 하나 인 MAX14827A는 70mA 부하를 구동 할 때 매우 낮은 100mW를 소모합니다. 이는 매우 낮은 2.3Ω (일반) R을 제공하도록 기술을 최적화함으로써 달성됩니다.ON (저항에).
그림 3 : 가상 IO-Link 산업용 센서 전력 예산. (이미지 : Maxim Integrated Products)
매우 낮은 작동 전류 (예 : 3 ~ 5mA)를 사용하고 3.3V 및 / 또는 5V 전원이 필요한 센서의 경우 조정 된 전력은 LDO를 통해 공급 될 수 있습니다. 실제로 Maxim의 IO-Link 트랜시버에는 통합 LDO가 포함되어 있습니다. 그러나 현재 수요가 30mA로 증가함에 따라 LDO는 곧 시스템에서 전력 / 열 손실의 주요 소스가 될 것입니다. 30mA에서 비교하기 위해 LDO의 전력 소비는 최대 600mW 일 수 있습니다.
LDO 전력 @ 30mA = (24-3.3) x 30mA = 621mW
이에 비해 DC-DC 벅 변환기 30V 출력으로 3mA 센서 공급 전압 90mW 만 소모됩니다. 컨버터가 90 % 효율 (9mW 전력 손실)이라고 가정하면 전체 전력 소비는 90 + 9 = 99mW에 불과합니다. 3.
Maxim의 최신 IO-Link 트랜시버는 고효율 DC-DC를 통합했습니다. 조정기 과 같이 Fig. 4.
그림 4 : Maxim의 최신 MAX22513 IO-Link 트랜시버는 통합 고효율 DC-DC 조정기를 통합합니다. (이미지 : Maxim Integrated Products)
IO-Link 센서의 크기
열 발산 후 크기는 모든 산업용 센서의 다음으로 큰 관심사이며 새로운 IO-Link 센서에도 적용됩니다. 더 작은 폼 팩터로 마이그레이션함에 따라 보드 공간이 점점 더 중요 해지고 있습니다.
Fig. 5 직경 12mm 하우징의 경우 WLP (웨이퍼 레벨 패키지)의 트랜시버와 DC-DC가 10.5mm 너비의 일반 PCB에 나란히 놓일 수 있음을 보여줍니다. 같은쪽에 여전히 비아와 와이어를위한 공간이 있습니다. 센서 하우징이 6mm이면 PCB 너비는 4.5mm로 줄어 듭니다. 그런 다음 작은 WLP 패키지로도 PCB의 양쪽에 칩을 장착해야합니다.
그림 5 : 크기는 최신 IO-Link 센서 설계에서 또 다른 큰 문제입니다. (이미지 : Maxim Integrated Products)
이러한 크기를 사용하려면 가장 작은 크기를 허용하는 WLP에서 트랜시버를 사용할 수 있어야합니다. 이 크기 제한은 이전에 표시된 것처럼 최신 IO-Link 트랜시버 내부에 DC-DC를 통합 한 이유 중 하나이기도합니다.
그러나 대부분의 산업용 센서는 또한 거친 환경에서 작동하도록 설계되어야합니다. 즉, TVS 다이오드와 같은 보호 회로를 통합해야합니다. Fig. 5. IO-Link 트랜시버의 절대 최대 정격 사양에주의를 기울이는 것이 중요합니다.
자세히 설명해 보겠습니다. IO의 65V 절대 최대 정격이 센서 하위 시스템의 크기를 줄이는 이유는 무엇입니까? 일반적으로 센서는 GND, C / Q, DI 및 DO와 같은 4 핀 사이의 서지 펄스를 견뎌야합니다. Maxim의 IO-Link 트랜시버는 65V 절대 최대 정격 사양을 가지고 있습니다. C / Q와 GND 사이의 1V 서지에서 24KV의 예를 들어 보겠습니다.
C / Q와 GND 사이의 전압 = TVS 클램프 전압 + TVS 순방향 전압
더 높은 절대 최대 정격 사양을 통해 설계자는 클램프 전압이 33A에서 60V이고 TVS 순방향 전압이 24A에서 1V 인 SMAJ24과 같은 소형 TVS 다이오드를 사용할 수 있습니다.
C / Q와 GND 사이의 전압 = 61V
위의 값은 Maxim 트랜시버의 절대 최대 정격 사양 내에 있습니다.
그러나 절대 최대 정격 사양이 낮 으면 (일반적으로 업계에서 약 45V) 전압을 허용 가능한 수준으로 클램핑하려면 SMCJ33과 같은 훨씬 더 큰 TVS 다이오드가 필요합니다. 이 다이오드는 Maxim 트랜시버에 필요한 다이오드 크기보다 3 배 더 큽니다.
트랜시버의 절대 최대 정격 사양이 더 낮 으면 전체 센서 설계에서 더 큰 TVS 다이오드의 크기 영향이 중요합니다. 표 1 PCB 면적의 추정 된 차이를 보여줍니다. 여기서 가정은 센서가 ± 1KV / 24A의 높은 수준의 서지를 견딜 수 있어야한다는 것입니다.
표 1 : 센서 크기에 대한 65V 절대 최대 정격의 장점 (이미지 : Maxim Integrated Products)
차세대 IO-Link 트랜시버는이를 개선했습니다. Maxim의 최신 IO-Link 트랜시버는 이제 IO-Link 라인 인터페이스 핀 (V24, C / Q, DI 및 GND)에 대한 통합 보호 기능을 제공합니다. 모든 핀에는 통합 ± 1.2kV / 500Ω 서지 보호 기능이 있습니다. 또한 모든 핀은 역 전압 보호, 단락 보호, 핫 플러그 보호 기능도 갖추고 있습니다.
모든 통합 보호 기능과 통합 DC-DC 벅 레귤레이터가있는 경우에도 이러한 장치는 소형 WLP 패키지 (4.1 x 2.1mm)로 제공됩니다. 소형 IO-Link 센서 설계를 가능하게합니다.
결론
XNUMX 세대 IO-Link 트랜시버 기술은 소형 센서 설계의 요구 사항을 충족하는 통합 LDO와 함께 사용하기 쉬운 TQFN 패키지로 제공됩니다. 전력 및 크기에 대한 고려 사항이 증가함에 따라 XNUMX 세대 트랜시버 기술은 낮은 R을 제공하는 기술로 이동하여 전력 소비를 최적화했습니다.ON 전력 소비를 더욱 줄이기 위해 더 작은 WLP 패키지로 제공되었습니다.
최신 트랜시버는 센서 하위 시스템의 크기와 열 방출을 더욱 줄이기 위해 보호 기능과 고효율 DC-DC 벅 레귤레이터를 모두 통합해야 할 필요성을 인식하고 있습니다. Fig. 6 Maxim Integrated의 IO-Link 트랜시버 기술의 높은 수준의 발전을 보여줍니다.
그림 6 : IO-Link 트랜시버 기술의 발전 (이미지 : Maxim Integrated Products)
IO-Link 기술이 훨씬 더 많은 산업용 센서에 배치됨에 따라 이러한 장치 사양은 작고 견고하며 전력 효율적인 센서를 구현하는 데 중요합니다.
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
Maxim Integrated 정보Maxim Integrated Products