Разработка эффективных и малошумящих источников питания для датчиков и энкодеров

13 ноября

автоматизацияMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалыПромавтоматикаДатчикIO-Linkинтерфейс

Энтони Т. Хюинь (Maxim Integrated)

Чтобы гарантировать надежную работу миниатюрных датчиков и энкодеров, необходимо обеспечить их высокую энергоэффективность. В данной статье объясняется, почему для таких устройств не подходят обычные источники питания, а также предлагается новое решение от Maxim Integrated, отвечающее всем требованиям.

Во всех современных системах, начиная с промышленного интернета вещей (IoT), систем промышленной автоматики, систем военного назначения, оборудования поддержки сетевой инфраструктуры и заканчивая медицинским оборудованием и бытовой техникой, требуется измерять, накапливать, синтезировать и обрабатывать данные. Четвертая промышленная революция, или «Индустрия 4.0», задает вектор развития в области автоматизации и обмена данными на производстве, в соответствии с которым киберфизические системы, IoT, системы облачных и когнитивных вычислении работают в тесной взаимосвязи друг с другом.

В настоящее время точные интеллектуальные датчики и энкодеры используются повсеместно. Они выводят современное электронное оборудование на новую ступень развития, позволяя обмениваться данными и взаимодействовать как друг с другом, так и с людьми в режиме реального времени, а также обеспечивая децентрализованное принятие решений. Для реализации всех этих интеллектуальных возможностей требуются малошумящие источники питания, обладающие при этом повышенной мощностью. Эти источники должны быть как можно компактнее и при этом должны иметь как можно меньшее тепловыделение. Совокупность таких противоречивых требований делает невозможным применение традиционных решений в области питания.

Давайте рассмотрим ограничения, присущие традиционным источникам питания, которые препятствуют их использованию с интеллектуальными датчиками и энкодерами, а также ознакомимся с новым решением, отвечающим современным требованиям.

Датчики

Обзор классических датчиков

Изначально любой датчик представлял собой чувствительный элемент, объединенный со схемой, которая обеспечивала передачу полученных данных в программируемый логический контроллер (ПЛК). Данные, как правило, передавались в аналоговом виде и только в одном направлении (от датчика к ведущему устройству). Очевидно, что передача данных в аналоговом виде имела малую помехозащищенность, к тому же контроллер в этом случае не мог ни провести диагностику датчика, ни выполнить его перенастройку или калибровку (рисунок 1).

Рис. 1. Классические аналоговые и дискретные датчики

Рис. 1. Классические аналоговые и дискретные датчики

Эти аналоговые датчики успешно выполняли свои задачи, но по мере развития технологий производители начали добавлять в датчики все новые и новые функции. Проблема малой помехоустойчивости была частично решена путем перехода к использованию дискретных датчиков, которые регулируются стандартом IEC 60947-5-2 (ГОСТ IEC 60947-5-2). При этом данные все так же передавались только в одном направлении (от датчика к ведущему устройству) без какой-либо коррекции ошибок, а для проведения различных работ, например, калибровки, по-прежнему требовалось вмешательство технического персонала.

Интеллектуальные датчики

«Индустрия 4.0», внедрение интеллектуальных датчиков и широкое распространение реконфигурируемых производственных цехов потребовали новых решений. Таким решением стал новый промышленный коммуникационный интерфейс IO-Link®. Он позволил реализовать «интеллектуальную» среду на предприятиях, обеспечивая двунаправленный обмен данными между датчиками и контроллером. Система на базе интерфейса IO-Link позволяет выполнять настройку, конфигурирование и диагностирование датчиков в режиме реального времени.

Традиционные заводы обычно строят и приспосабливают для производства какого-то одного вида продукции. Как только будет выполнен план по производству этой продукции или снизится рыночный спрос на нее, завод начнет простаивать. Для перепрофилирования традиционного производства на выпуск другой продукции требуются дополнительные время и деньги. В отличие от него умный завод для быстрого реагирования на колебания рыночного спроса можно реконфигурировать «на лету». Диагностика в режиме реального времени позволяет реализовать предупредительное техническое обслуживание, что увеличивает время безаварийной работы завода. Все это стало возможно благодаря внедрению протокола IO-Link, интеллектуальных датчиков и энкодеров, а также других технологических новшеств.

Проблемы при разработке интеллектуальных датчиков

К отличительным особенностям интеллектуальных датчиков можно отнести поддержку интерфейса IO-Link, возможность конфигурирования непосредственно в месте установки, возможность диагностики в режиме реального времени, а также небольшие размеры, позволяющие использовать их где угодно (рисунок 2). Поддержка всех этих функций приводит к увеличению мощности рассеяния датчика. В то же время многие производители прикладывают все усилия для миниатюризации своих изделий. Поэтому при проектировании схем питания этих датчиков разработчикам приходится решать вопрос, как разместить источник питания в заданных габаритах и ограничить выделяемое им тепло, сохранив при этом низкий уровень шумов и высокое значение коэффициента подавления пульсаций напряжения питания (PSRR), гарантирующих отсутствие негативного влияния источника питания на точность выходного сигнала датчика.

Рис. 2. ПЛК и датчик с интерфейсом IO-link

Рис. 2. ПЛК и датчик с интерфейсом IO-link

Энкодеры

Энкодеры используются для определения угла поворота вращающихся объектов, как правило — валов. Абсолютные энкодеры позволяют точно контролировать положение движущихся частей в упаковочном оборудовании, роботах, манипуляторах, шарико-винтовых передачах, поворотных столах и оборудовании установки электронных компонентов. Инкрементальные оптические энкодеры имеют меньшие стоимость и размеры и способны формировать значения с большой частотой и разрешающей способностью. Инкрементальные энкодеры обычно применяются для контроля скорости и направления вращения, но могут использоваться и для отслеживания положения с помощью дополнительных программно-аппаратных средств.

Энкодеры занимают немного места и располагаются внутри двигателей или же рядом с их валами. При проектировании источников питания для них разработчики сталкиваются с точно такими же проблемами, как и в случае интеллектуальных датчиков: как разместить источник питания в заданных габаритах и ограничить выделяемое им тепло, сохранив при этом низкий уровень шумов и высокое значение PSRR, чтобы исключить негативное влияние источника питания на точность выходного сигнала энкодера.

Разработка источника питания для миниатюрных интеллектуальных датчиков и энкодеров

Рассмотрим интеллектуальный датчик движения с интерфейсом IO-Link. Блок-схема такого датчика показана на рисунке 3. Микроконтроллер (МК) считывает данные с чувствительного элемента, линеаризует, выполняет их обработку и передает в приемопередатчик интерфейса IO-Link, откуда данные затем поступают в ПЛК. Через разъем IO-Link также подается напряжение 24 В для питания датчика.

Рис. 3. Упрощенная блок-схема интеллектуального датчика движения с IO-Link

Рис. 3. Упрощенная блок-схема интеллектуального датчика движения с IO-Link

Чтобы упростить дальнейшее обсуждение, выделим все узлы датчика, отвечающие за реализацию его основных функций, в отдельный блок, который назовем «схема датчика». Термином «источник питания» обозначим некий блок, обеспечивающему преобразование входного напряжения 24 В в напряжение 3,3 В, требуемое для питания схемы датчика. А датчик в целом, как законченное изделие, мы будем называть просто «устройством».

Определим мощность, рассеиваемую схемой датчика, источником питания и устройством в целом при использовании традиционного решения: линейного стабилизатора с малым падением напряжения (LDO), схема которого приведена на рисунке 4.

Рис. 4. LDO – традиционный вариант источника питания датчика

Рис. 4. LDO – традиционный вариант источника питания датчика

Схема классического аналогового датчика потребляет в среднем около 15 мА. Напряжение на шине питания 24 В в промышленных условиях может достигать 30 В DC. В результате получаем следующие значения рассеиваемой мощности (формулы 1…4):

$$I_{o}=15\:мА,\:V_{i}=30\:В\:(макс.),\:V_{o}=3.3\:В\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

$$P_{датчика}=V_{o}\times I_{o}=50\:мВт\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

$$P_{ИП}=P_{LDO}=\left(V_{i}-V_{o} \right)\times I_{o}=400\:мВт\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

$$P_{устройства}=P_{датчика}+P_{ИП}=450\:мВт\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Как можно увидеть из приведенных формул, для выполнения реальной работы (питания схемы датчика) используется только 50 мВт, а 400 мВт теряется в стабилизаторе из-за его низкого КПД. При этом суммарная мощность, которую должно рассеивать наше устройство, оказывается равной 450 мВт.

Когда мы реализуем новые функции, разумеется, увеличится ток потребления, а вместе с ним и мощность, рассеиваемая устройством. Если, к примеру, ток потребления схемы датчика увеличится до 30 мА, то, выполнив вычисления, аналогичные предыдущим, мы получим:

  • IO = 30 мА;
  • PДАТЧИКА = 100 мВт;
  • PИП = 800 мВт;
  • PУСТРОЙСТВА = 900 мВт.

Вряд ли найдется миниатюрный датчик движения, способный рассеять такую мощность.

Нагрев: самая серьезная задача для разработчика

Самая большая проблема которую придется решить при разработке вашего датчика – это его нагрев. На рисунке 5 приведена диаграмма, построенная по результатам предыдущих вычислений. Как видим, большая часть мощности рассеивается на линейном стабилизаторе. Слишком большое рассеяние мощности на LDO ограничивает ток, который может потреблять схема датчика, что препятствует внедрению новых функциональных возможностей. При токе схемы датчика 15 мА мощность, рассеиваемая устройством, едва вписывается в допустимые для разъемов M8 границы (около 450 мВт). А при токе схемы датчика, равном 30 мА, даже более габаритный разъем M12 не сможет рассеять мощность в 900 мВт. В то же время линейные стабилизаторы обладают великолепным PSRR и обеспечивают схему датчика (и энкодера) питающим напряжением с низким уровнем пульсаций, что благотворно сказывается на точности устройств.

Рис. 5. Мощность, рассеиваемая датчиком, в зависимости от его тока потребления

Рис. 5. Мощность, рассеиваемая датчиком, в зависимости от его тока потребления

Очевидно, что нам требуется более эффективное решение, которое имело бы меньшее тепловыделение и при этом обеспечивало бы напряжение питания с низким уровнем шумов. Такое решение, представляющее собой DC/DC-преобразователь, последовательно с которым включен LDO, показано на рисунке 6. Импульсный DC/DC-преобразователь обеспечивает высокий КПД схемы, что позволяет снизить ее тепловыделение, а линейный стабилизатор формирует отличный выходной сигнал с низким уровнем шумов. Выходное напряжение DC/DC-преобразователя 5 В обеспечивает падение напряжения на LDO, близкое к минимально допустимому, что значительно снижает мощность, рассеиваемую на линейном стабилизаторе.

При токе потребления датчика 30 мА и КПД 85% на DC/DC-преобразователе рассеивается всего 26 мВт, тогда как на LDO в этой схеме рассеивается 50 мВт. Суммарная рассеиваемая мощность устройства (включая рассеиваемую мощность схемы датчика, равную 100 мВт) составляет 176 мВт. Таким образом рассеиваемая мощность нового решения (DC/DC + LDO) оказывается в 5 раз меньше рассеиваемой мощности традиционного решения на основе LDO, равной 900 мВт (рисунок 6).

Рис. 6. Мощность, рассеиваемая источником питания: а) вариант на основе LDO; б) комбинированное решение (DC/DC + LDO)

Рис. 6. Мощность, рассеиваемая источником питания: а) вариант на основе LDO; б) комбинированное решение (DC/DC + LDO)

Размеры: еще одна задача для разработчика

Умным системам требуется все больше и больше интеллектуальных датчиков и энкодеров. Причем эти компоненты должны быть достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать повсюду. Очевидно, что источники питания этих устройств также должны быть миниатюрными. Компания Maxim Integrated предлагает ИС высокой степени интеграции, которая была разработана именно для того, чтобы отвечать жестким требованиям, предъявляемым устройствами IoT. ИС MAX17671 выпускается в миниатюрном 10-выводном корпусе TDFN размером 3×3 мм и содержит как DC/DC-преобразователь, так и LDO. Данная ИС представляет собой прекрасное решение для реализации схем электропитания интеллектуальных датчиков и энкодеров.

ИС MAX17671 имеет широкий диапазон входного напряжения 6,5…60 В. Встроенный DC/DC-преобразователь формирует напряжение 5 В, которое в свою очередь подается на вход встроенного LDO, формирующего выходное напряжение 3,3 В с низким уровнем шумов для питания схемы датчика/энкодера. Типовая схема включения MAX17671 приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Типовая схема включения MAX17671 (10-выводный корпус TDFN 3×3 мм)

Рис. 7. Типовая схема включения MAX17671 (10-выводный корпус TDFN 3×3 мм)

На рисунке 8 приведены типичные графики зависимости КПД MAX17671 от тока нагрузки для разных значений входного напряжения. При входном напряжении 30 В, частоте коммутации 200 кГц, выходном напряжении 5 В и выходном токе 50 мА КПД микросхемы оказывается равным примерно 88%. На рисунке 9 показаны аналогичные графики КПД, но уже для частоты коммутации 600 кГц. Более высокая частота коммутации позволяет использовать выходной дроссель меньших габаритов и выходной конденсатор меньшей емкости. При этом уменьшается место, занимаемое источником питания, но одновременно снижается и КПД DC/DC-преобразователя.

Рис. 8. ИС MAX17671: КПД DC/DC-преобразователя с выходным напряжением 5 В при частоте коммутации 200 кГц

Рис. 8. ИС MAX17671: КПД DC/DC-преобразователя с выходным напряжением 5 В при частоте коммутации 200 кГц

Рис. 9. ИС MAX17671: КПД DC/DC-преобразователя с выходным напряжением 5 В при частоте коммутации 600 кГц

Рис. 9. ИС MAX17671: КПД DC/DC-преобразователя с выходным напряжением 5 В при частоте коммутации 600 кГц

На рисунке 10 показана осциллограмма пульсаций выходного напряжения DC/DC-преобразователя (5 В) MAX17671. Как видно из рисунка, размах пульсаций составляет 12 мВ при частоте коммутации 600 кГц. На рисунке 11 показан график зависимости PSRR выходного напряжения LDO (3,3 В) MAX17671, среднее значение которого составляет примерно 45 дБ, что соответствует ослаблению пульсаций в 178 раз. Таким образом, размах пульсаций выходного напряжения DC/DC-преобразователя, равный 12 мВ, уменьшается до 67 мкВ, что позволяет гарантировать полное отсутствие отрицательного воздействия источника питания на точность датчика и энкодера.

Рис. 10. Пульсации выходного напряжения 5 В DC/DC-преобразователя MAX17671 при частоте коммутации 600 кГц

Рис. 10. Пульсации выходного напряжения 5 В DC/DC-преобразователя MAX17671 при частоте коммутации 600 кГц

Рис. 11. Зависимость PSRR выходного напряжения LDO (3,3 В) MAX17671 от частоты

Рис. 11. Зависимость PSRR выходного напряжения LDO (3,3 В) MAX17671 от частоты

Подведем итог

Индустрия 4.0 стимулирует спрос на интеллектуальные датчики и энкодеры, которые должны быть достаточно миниатюрными, чтобы их можно было применять всюду. В то же время они должны быть и более точными, для чего требуются источники питания с низким уровнем шумов. Традиционные источники питания на основе линейных стабилизаторов с малым падением напряжения обеспечивают очень низкий уровень шумов, но имеют слишком большую рассеиваемую мощность, что создает проблемы с отводом тепла от устройства. В итоге разработчикам приходится решать серьезные задачи: как ограничить нагрев и вписаться в заданные габариты, сохранив при этом низкий уровень шумов на линии питания. Для успешного решения этих задач источник питания должен быть миниатюрным, иметь высокий КПД и обеспечивать низкий уровень шумов. ИС MAX17671, в составе которого имеется как DC/DC-преобразователь, так и LDO, представляет собой новое решение, позволяющее создавать источники питания, отвечающие всем указанным требованиям.

Оригинал

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX17670EATB+ (MAX)
MAX17670EATB+T (MAX)
MAX17670EEVKIT# (MAX)
MAX17671FATB+T (MAX)
MAX17671FATB+ (MAX)
MAX17671FEVKIT# (MAX)
MAX17672FATB+T (MAX)
MAX17672FATB+ (MAX)
MAX17672CATB+ (MAX)
MAX17672CATB+T (MAX)
MAX14829ATG+T (MAX)
MAX14829ATG+ (MAX)
MAX14829EVKIT# (MAX)
MAX22515AWP+T (MAX)
MAX22515ATG+T (MAX)
MAX22515ATG+ (MAX)
MAX22515EVKIT# (MAX)