如何有效地为微型工业传感器供电

作者：Reno Rossetti

在当今日益自动化和电气严苛的工业环境中，您会发现传感器随处可见。它们变得越来越复杂，但也越来越小。它们的复杂性需要板载开关稳压器来更有效地提供电力，以最大限度地减少热量产生。然而，挑战也存在：当这些微型传感器在高压工业环境中运行时，如何安全地为它们提供低压电源？您如何在保持解决方案尺寸小并最大化效率的同时做到这一点？

安全供电

传感器“盒子”包括一个前端收发器，用于处理数据并将电源路由到降压转换器，该转换器为 ASIC/微控制器/FPGA 和传感元件提供适当的电压。传感器通常由 24V 直流电源 （V BUS ） 供电。图 2显示了电源路径。

图 2. 传感器电源系统

在电源管理方面，工厂车间可能是非常具有挑战性的地方。考虑到这些环境中的长电缆和强电磁干扰，高压瞬变比比皆是。因此，传感器内部的降压转换器必须承受远高于传感器工作电压的瞬态电压。

典型的传感器电源管理解决方案利用瞬态电压抑制器 （TVS） 来限制前端降压转换器的输入电压 （V CC ）。相关的输入电流峰值被电阻 R P 降低，电阻 R P是电压瞬变源 （V BUS ） 和传感器之间的电气路径中的寄生或物理元件。

为了说明我们的观点，让我们考虑从 LittelfuseTM 目录中选择 TVS。图 3显示了 TVS 的一般特性。

图 3. 传感器电源系统中的 TVS VI 特性

TVS 器件处于开路状态，直到其两端的电压达到 V BR。此时，它开始传导电流，同时其电压略微上升到其最大钳位电压 V C，这对应于最大允许峰值脉冲电流 I PP。乘积 V C x I PP是 TVS 可以处理的最大峰值功率（此 TVS 系列为 400W）。

为有效保护，TVS V BR必须选择高于 V CC（MAX）而 V C必须低于开关稳压器输入电压击穿电压。

理想情况下，对于额定电压为 60V 的降压转换器，可以使用最小 V BR为 33V 的 SMAJ33A（钳位电压 V C为 53.3V，远低于 60V）。这给出了高于 V BUS（MAX） 6.6V和低于 60V 6.7V 的工作裕度（图 4）。

图 4. 理想的 TVS 选择

现在，让我们考虑一种解决空间限制的独特新方法：将电感器垂直集成在 IC 顶部。MAXM15064 Himalaya uSLIC 模块可在 -40°C 至 +125°C 的宽温度范围内工作，采用扁平、紧凑、10 引脚、2.6mm x 3mm x 1.5mm 封装。

图 5显示了使用 300mA、60V 降压转换器模块实现的显着尺寸减小。电感器的垂直集成使得组件的净面积仅为 21mm 2。

图 5. MAXM15064 Himalaya uSLIC 模块中电感器的垂直集成可显着减小尺寸。

概括

工业 4.0 技术正在使工厂和其他工业环境能够以更少的人为干预做更多的事情。智能传感器在这方面发挥着关键作用，但它们带来了独特的电源管理挑战。uSLIC 电源模块是一款微型、高效、低 EMI 降压转换器，非常适合为微型传感器供电，从而使工业应用栩栩如生。