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非常見(jiàn)問(wèn)題第219期:智能邊緣傳感器需要新電源概念

2024-06-24
作者:Frederik Dostal,電源管理專(zhuān)家
來(lái)源:ADI
關(guān)鍵詞: ADI 智能邊緣傳感器 電源管理

  問(wèn)題

  智能邊緣正擴展到全行業(yè),逐漸替代原有的邊緣傳感器和執行器。智能邊緣可以使用常見(jiàn)的傳統電源嗎?

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  答案

  在某些情況下可以,但在大多數情況下不行!我們需要設計適應性強、更先進(jìn)的電源。

  摘要

  本文介紹了智能邊緣傳感器的不同實(shí)現示例,以及如何選擇和調整電源管理解決方案以提供理想解決方案。本文還探討了目前可用的一些傳感器解決方案。

  引言

  工業(yè)傳感器電源領(lǐng)域目前創(chuàng )新迭出,但也充滿(mǎn)挑戰。智能邊緣的實(shí)現需要智能數據方面的準備。這就需要在電源方面進(jìn)行創(chuàng )新。在某些情況下,智能邊緣傳感器需要由單對雙絞線(xiàn)電纜供電,單對以太網(wǎng)供電(SPoE)解決方案可以滿(mǎn)足需要。在其他應用中,納安級功耗解決方案有助于節省能源,從而在傳感器側實(shí)現更長(cháng)的電池運行時(shí)間。此外,一些智能傳感器需要超低噪聲 電源,以使傳感器數據不受影響。最后,在邊緣添加傳感器智能將需要使用功率密度更高的電源。這是因為,新傳感器需要適應現有的外形尺寸。

  什么是智能邊緣

  “智能邊緣”一詞是指工業(yè)系統中可以獨立選擇和處理數據的傳感器。傳感器和中央控制單元之間傳輸的數據量較少,因此數據傳輸的難度較小。當然,要處理傳感器提供的數據,需要 使用微控制器。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是用于檢測特定信息的光學(xué)傳感器。例如,它可以檢測不小心踏入自動(dòng)化制造區域、從而將自己置于危險之中的人員。處理圖像數據時(shí),必須確保能夠 準確無(wú)誤地識別人員,以便快速做出響應,關(guān)停機器。這應該有助于防止傷害。其目標是在智能邊緣處理圖像數據。只有一個(gè)信號(即,在攝像頭視野中檢測到的人)被傳輸到中央計算機。不再需要將圖像數據傳輸到中央計算機。因此,需要的傳輸帶寬更低,傳輸也得以簡(jiǎn)化。

  智能邊緣是如何設計的

  通過(guò)在智能邊緣添加處理單元(微控制器),就可以創(chuàng )建智能傳感器。然而,該單元的電流消耗較高。為了提供傳感器所需的更高電流,我們需要新的供電概念。對于現有工業(yè)廠(chǎng)房和基 礎設施來(lái)說(shuō),尤其如此。除了實(shí)現安全數據傳輸之外,解決方案還應能夠輕松且安全地滿(mǎn)足更高電流需求。

  使用現有2線(xiàn)電纜(例如4 mA至20 mA接口)實(shí)現智能邊緣

  SPoE可以通過(guò)2線(xiàn)電纜來(lái)用作電源,因此有助于實(shí)現智能邊緣。SPoE與以太網(wǎng)供電(PoE)類(lèi)似,但可以使用現有2線(xiàn)電纜(例如4 mA至20 mA接口)來(lái)實(shí)現。SPoE可將高達52 W的功率傳輸400米的距離,或將高達20 W的功率傳輸長(cháng)達1千米的距離。SPoE在IEEE 802.3cg標準中作出了規定。線(xiàn)路的工作電壓為24 V或55 V。這種電源的特點(diǎn)是能量傳輸和數據傳輸可以在同一根2線(xiàn)電纜上進(jìn)行。數據通信基于10BASE-T1L標準。圖1顯示了SPoE通過(guò)一根長(cháng)達1 km的2線(xiàn)電纜提供高達52 W的功率。

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  圖1. SPoE通過(guò)一根長(cháng)達1 km的2線(xiàn)電纜提供高達52 W的功率。

  工業(yè)環(huán)境中的納安級功耗傳感器

  在智能邊緣的應用場(chǎng)景中,工業(yè)環(huán)境中的低功耗傳感器的一個(gè)例子是振動(dòng)傳感器,它們分布在加工廠(chǎng)中,用以監測每臺機器。

  記錄的振動(dòng)對應于不同的頻率,提供關(guān)于機械軸承和軸是否仍能可靠運行的指示。從中可以識別出老化的早期跡象。通過(guò)這種方式可以降低計劃外資產(chǎn)停機或超出特定運行容差的可能性。對振動(dòng)的精密測量使得這種反應成為可能。振動(dòng)數據監測需要復雜的算法來(lái)實(shí)時(shí)評估大量數據。數據處理可以在部署位置本地進(jìn)行,或在中央位置進(jìn)行。若采用集中評估,所有收集到的傳感器數據都必須通過(guò)電纜傳輸,或通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波無(wú)線(xiàn)傳輸。

  在許多應用中,直接在傳感器上本地實(shí)施數據評估是有利的。對于這樣的實(shí)施方案,現有工業(yè)廠(chǎng)房可以簡(jiǎn)單地配備振動(dòng)傳感器,無(wú)需鋪設額外的電纜。如果傳感器檢測到超出容差的頻率范圍,它即會(huì )發(fā)出規定的警告信號。

  此類(lèi)傳感器可以通過(guò)磁吸方式固定到機器或設備上,并且通常形成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò ),通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳輸數據。在這種網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中,各種傳感器相互通信,并傳輸有關(guān)哪個(gè)軸承顯示出明顯老化跡 象的信息。因此,工業(yè)廠(chǎng)房可以輕松具備預測性維護能力。ADI 公司的 OtoSense?智能電機傳感器(SMS)技術(shù)就是其中的一個(gè)例子。它是一種基于人工智能技術(shù)的完整硬件和軟件解決方案,用于狀態(tài)監控。ADI OtoSense SMS通過(guò)將先進(jìn)的檢測技術(shù)與領(lǐng)先的數據分析相結合來(lái)監控電機狀況。

  系統正常運行的一個(gè)重要先決條件是為傳感器提供適當的電源。振動(dòng)傳感器不僅必須為傳感器本身提供適當的電源,還必須為用于評估數據的本地微處理器以及用于無(wú)線(xiàn)通信的RF模塊的操作提供適當的電源。傳感器系統的設計有助于盡可能降低電流消耗。它可以使用電池作為能源,或者使用能量收集。這兩種技術(shù)經(jīng)常一起使用。增加能量收集功能可延長(cháng)電池壽命, 這樣就不必頻繁更換電池。能量收集可以使用多種能源。根據傳感器的位置,可以使用太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)電機(TEG)或壓電轉換器。特別是在工業(yè)生產(chǎn)設備中,通常存在可以通過(guò)TEG轉換為電能的溫度梯度。借助壓電傳感器,機械運動(dòng)也可以轉換為電能。

  對于通過(guò)電池和能量收集等方式供電的設備,優(yōu)化電壓轉換十分重要。高效率是關(guān)鍵。有幾種不同的納安級功耗管理集成電路適用于此目的。

  圖2所示為采用MAX38650的電壓轉換電路示例。它是一款100 mA納安級功耗降壓開(kāi)關(guān)穩壓器。它可以在輸入側采用高達5.5 V的電源電壓,并且可提供1.2 V至5 V之間的穩壓輸出電壓。在運行期間,開(kāi)關(guān)穩壓器本身僅消耗390 nA的電流(典型值)。這是非常低的靜態(tài)電流。當開(kāi)關(guān)穩壓器關(guān)斷時(shí),其僅消耗5 nA電流。傳感器數據不是連續獲取的,僅在發(fā)生故障時(shí)才需要通信。這意味著(zhù)MAX38650可以經(jīng)常切換到省電模式,以進(jìn)一步節省能源。

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  圖2.用于電池供電傳感器的納安級功耗電壓轉換。

  每個(gè)基本電壓轉換電路一般都有一個(gè)反饋引腳。為了提供穩壓輸出電壓,需要一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器。然而,電阻分壓器在節能電路中沒(méi)有多大意義。根據具體電阻值,要么流經(jīng)分壓器 的電流過(guò)高,導致高損耗,要么電阻值很高,以致反饋節點(diǎn)具有非常高的阻抗。結果,噪聲會(huì )耦合到反饋節點(diǎn)并直接影響所需電壓的調節。干擾在工業(yè)廠(chǎng)房中是一個(gè)尤其突出的問(wèn)題。如 圖2所示,MAX38650有一個(gè)RSEL引腳。它使用單個(gè)電阻工作,該電阻用于設置輸出電壓。當MAX38650開(kāi)啟時(shí),200 ?A的電流短暫流過(guò)該外部電阻。所得電壓用于設置電壓轉換器整個(gè)工作持續 時(shí)間所需的輸出電壓。這是兩全其美的策略:工作期間的漏電流較低,輸出電壓可調且穩健。

  適用于超小信號且即使在低頻下噪聲也非常低的電源

  許多傳感器可以測量非常小的信號。為了防止這些信號失真,必須使用噪聲非常低的電源。傳導和輻射干擾源是主要噪聲源。借助開(kāi)關(guān)模式電源開(kāi)關(guān)穩壓器的輸入側和輸出側的附加濾 波器電路,可以大大減少傳導干擾,但對于輻射信號源而言,情況就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了。良好的電路板布局可以防范過(guò)多干擾輻射。即使如此,系統中仍然存在殘余噪聲耦合。只有通過(guò)良好 的屏蔽(即金屬外殼)才能減少這種情況。然而,此類(lèi)屏蔽的制造不僅耗時(shí)長(cháng),而且成本高。

  采用Silent Switcher? 技術(shù)的開(kāi)關(guān)穩壓器提供了一種非常巧妙的解決方案,可以有效地減少輻射干擾。任何開(kāi)關(guān)模式電源中出現的脈沖電流路徑都是對稱(chēng)設計的,因此產(chǎn)生的磁場(chǎng)在很大程度上相互抵消。該技術(shù)與倒裝芯片技術(shù)相結合可以顯著(zhù)減少輻射 干擾,后者消除了開(kāi)關(guān)穩壓器IC中的鍵合線(xiàn)。

  輻射干擾可減少多達40 dB。這相當于輻射功率減少到原來(lái)的萬(wàn)分之一。

  圖3顯示了Silent Switcher技術(shù)的對稱(chēng)設計,同時(shí)產(chǎn)生的局部脈沖電流以綠色顯示。脈沖電流產(chǎn)生不同極性的脈沖磁場(chǎng),它們大部分相互抵消。

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  圖3.Silent Switcher技術(shù)大幅降低了輻射干擾。

  Silent Switcher技術(shù)現已發(fā)展到第三代。在這一代產(chǎn)品中,超低噪聲線(xiàn)性穩壓器還采用了特殊的超低噪聲技術(shù),以減少低頻范圍的干擾,特別是10 Hz至100 kHz之間的干擾。這一代Silent Switcher技術(shù)使得在許多應用中可以省去開(kāi)關(guān)模式電源開(kāi)關(guān)穩壓器和敏感負載之間的濾波線(xiàn)性穩壓器。

  僅使用一個(gè)電感的開(kāi)關(guān)穩壓器適用于尺寸非常重要的應用

  有些傳感器需要放置在非常狹小的空間中,尤其是當現有傳感器應在同一位置替換為現代智能邊緣傳感器的時(shí)候。由于功能增強,通常還需要更多的電氣元件。因此,必須找到減小物理 尺寸的創(chuàng )新方法。

  電壓轉換領(lǐng)域的一個(gè)有趣例子是單電感多輸出(SIMO)技術(shù),它支持使用單個(gè)電感生成多個(gè)不同的輸出電壓。該技術(shù)可以節省原本要由多個(gè)電感占用的電路板空間。

  圖4顯示了提供兩個(gè)精密調節輸出電壓的簡(jiǎn)單SIMO穩壓器電路示例。額外的電源電壓可以輕松生成。僅需要一個(gè)電感L。

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  圖4.SIMO電源適用于超小型傳感器。

  SIMO技術(shù)可以通過(guò)如下方式實(shí)現:?jiǎn)蝹€(gè)電感連續用于所有單獨的輸出電壓。一定量的能量被置于電感中,然后用于產(chǎn)生電壓 VOUT1。之后,另一規定量的能量被置于電感中并用于產(chǎn)生電壓 VOUT2。通過(guò)這種方式,每個(gè)產(chǎn)生的電壓都正好獲得了保持其穩定所需的能量。

  結語(yǔ):工業(yè)傳感器需要適應性強的電源

  本文介紹的電源領(lǐng)域創(chuàng )新都展示了如何為現代工業(yè)傳感器提供理想供電解決方案。傳感器變得越來(lái)越智能。它們生成的數據已經(jīng)在智能邊緣本地進(jìn)行評估。越來(lái)越多的傳感器被用于工業(yè)廠(chǎng)房,以幫助優(yōu)化流程并盡可能地減少停機時(shí)間。為了跟上這一趨勢,有必要采用能量收集等創(chuàng )新的供電概念。




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