从历史上看，工业传感器在许多情况下仍然是。它们包括一个传感元件和一些将传感数据传送到控制器的方法。数据是单向的。然后是二进制传感器，它提供数字开/关信号，包括感应元件:电感，电容，超声波，光电等，并带有半导体开关元件。输出可以是:高侧(HS)开关(PNP)或低侧(LS)开关(NPN)或推挽(PP)。但数据仍然局限于从传感器到主机的单向通信，没有误差控制，并且仍然需要工厂车间的技术人员来完成手动校准等任务。

需要更好的解决方案来满足工业4.0、智能传感器和可重构工厂车间的需求。解决方案是IO-Link 协议，这是一种相对较新的工业传感器标准，呈现出惊人的增长轨迹。

IO-Link组织估计，到目前为止，在该领域使用的IO-Link节点超过1600万个。这个数字还在增长。

IO-Link是一种标准化技术(IEC 61131-9)，用于调节工业系统中的传感器和执行器如何与控制器交互。IO-Link是一种点对点通信链路，具有标准化的连接器、电缆和协议。IO-Link系统设计用于行业标准的3线传感器和执行器基础设施，包括IO-Link主机和IO-Link设备产品。

IO-Link通信是在一个主机和一个设备(传感器或执行器)之间。通信是二进制(半双工)，限制在20米的距离内，使用非屏蔽电缆。通信需要3线接口(L+、C/Q和L-)。IO-Link系统的电源范围为主电源20 V至30 V，设备(传感器或执行器)的电源范围为18 V至30 V。

设备的IO-Link手册(1)阐述了IO-Link的优势如下:

“IO-Link技术使传统的二进制传感器或传感器成为智能传感器，不再只是收集数据，而是允许用户根据在线上其他传感器的健康和状态以及需要执行的制造操作获得的实时反馈远程更改其设置。IO- link技术使传感器能够通过使用协议栈和IO设备描述(IODD)文件的公共物理接口进行互换，以启用可配置的传感器端口。它是真正的即插即用，同时提供了动态重新配置参数的能力。”

在工厂网络层次结构中，IO-Link协议位于边缘，通常是传感器和执行器，如图2所示。很多时候，边缘设备与网关通信，网关将IO-Link协议转换为所选的现场总线。

有关IO-Link协议如何支持下一代制造环境或工业物联网(IIoT)(有时称为IIoT)的更多信息，请参阅之前详细解释这一点的文章。

IO-Link传感器设计

工业现场传感器必须坚固耐用，体积小，并且非常节能，以便将散热保持在最低限度。大多数IO-Link传感器有以下组件:

• 带有相关前端(AFE)的传感元件。

• 处理数据的微控制器，在IO-Link传感器的情况下，也运行轻量级协议栈。

• IO-Link收发器是物理层。

• 电源和在许多情况下的保护(电视浪涌，EFT/burst, ESD等)。

散热(能效)

一旦我们了解了典型的组件，我们就可以看看假设的传感器功率是如何预算的。参见图3。所有这些数字都是估计值。他们表明收发器(输出级)功耗在预算传感器的总系统功耗时很重要。

让我们从最左边开始，它指定了老一代IO-Link传感器。通过这种方式，多年来微控制器(MCU)和输出阶段(即收发器)技术的进步如何有助于降低系统总功率变得更加清晰。

原始或第一代IO-Link收发器消耗400mw或更高。最新的低功耗IO-Link收发器消耗不到100兆瓦。此外，mcu也有所帮助。传统MCU的功耗高达180兆瓦，但较新的低功耗MCU可以降低到50兆瓦。

先进的IO-Link收发器与低功耗MCU相结合，可以将传感器的总功率预算保持在400 mW至500 mW的范围内。

功耗与散热直接相关。传感器越小，功耗要求越严格。据估计，直径为8mm (M8)的封闭圆柱形IO-Link传感器的最大功耗为400mw，直径为12mm (M12)的封闭圆柱形IO-Link传感器的最大功耗为600mw。

技术也在不断进步。来自Devices的一款新型IO-Link收发器MAX14827A在驱动100 mA负载时功耗非常低，为70 mW。这是通过优化技术来实现的，提供非常低的2.3 欧姆(类型)导通电阻(R(ON))。

对于使用非常低的工作电流的传感器，例如3 mA至5 mA，并需要3.3 V和/或5 V电源;被调节的功率可以通过LDO稳压器获得。事实上，IO-Link收发器包含了一个集成的LDO调节器。但是随着电流需求增加到30ma, LDO稳压器将很快成为系统中主要的电源/散热源。相比之下，在30 mA时，LDO稳压器的功耗可高达600 mW。

LDO在30ma时的功率= (24 - 3.3)× 30ma = 621 mW

相比之下，提供30ma传感器和3v输出电压的dc - dc降压变换器的功耗仅为90mw。假设转换器效率为90%(仅9mw功率损失)，则总功耗仅为90 + 9 = 99mw。

最新的IO-Link收发器集成了一个高效率的dc - dc调节器，如图4所示。

IO-Link传感器的尺寸

散热之后，尺寸是所有工业传感器的下一个最大问题，它也适用于新的IO-Link传感器。随着我们转向更小的外形，电路板空间变得越来越珍贵。

图5显示，对于直径为12mm的外壳，收发器(在晶圆级封装(WLP)封装中)和dc - dc可以并排放在宽度为10.5 mm的常规PCB上。在同一侧仍然有通孔和电线的空间。如果传感器外壳为6mm，则PCB宽度降至4.5 mm。然后芯片必须安装在PCB的两侧，即使是小的WLP封装。

为了支持这些尺寸，收发器必须在允许最小尺寸的WLP封装中可用。这种尺寸限制也是我们在最新的IO-Link收发器中集成DC-to-DC的原因之一。

但大多数工业传感器也必须设计成在恶劣的环境中工作，这意味着它们必须包含保护电路，如TVS二极管，这在图5中没有显示。这就是注意IO-Link收发器的绝对最大(abs max)额定值规范的重要之处。

让我们详细说明一下:为什么IOs上的65 V abs最大额定值会减小传感器子系统的尺寸?通常，传感器需要承受4脚之间的浪涌脉冲:GND、C/Q、DI和DO。的IO-Link收发器具有65 V abs最大额定值的规格。如果我们举一个例子，在C/Q和GND之间有24 V的1 kV浪涌。

C/Q和GND之间的电压= TVS钳位电压+ TVS正向电压

由于abs最大额定值规格较高，设计人员可以使用小型TVS二极管，如SMAJ33，其钳位电压在24 a时为60 V, TVS的正向电压在24 a时为1 V。

C/Q和GND之间的电压= 61v

上述值在收发器的abs最大额定值规范范围内。

但是，如果abs最大额定值规格较低，通常在行业中为45 V左右，则需要更大的TVS二极管(如SMCJ33)来将电压压降至可接受的水平。这个二极管的尺寸是收发器所需二极管的3倍多。

如果收发器abs最大额定值规格较低，则较大的TVS二极管在整体传感器设计中的尺寸影响是显着的。表1显示了PCB面积的估计差异。这里的假设是传感器必须能够承受±kV/24 a的高电平浪涌。

下一代IO-Link收发器甚至在此基础上进行了改进。从现在开始，新的IO-Link收发器在IO-Link线路接口引脚(V24, C/Q, DI和GND)上具有集成保护。所有引脚都集成了±1.2 kV/500 欧姆浪涌保护。此外，所有引脚还具有反压保护、短路保护和热插拔保护。

即使具有所有集成保护功能以及集成dc - dc降压稳压器，这些器件也可以在一个很小的WLP封装(4.1 mm × 2.1 mm)中使用;实现一个非常小的IO-Link传感器设计。

结论

图6显示了IO-Link收发器技术的高级进展。

第一代IO-Link收发器技术采用易于使用的TQFN封装，集成了ldo，可以满足小型传感器设计的需求。由于功率和尺寸方面的考虑，第二代收发器技术通过采用更低R(ON)的技术来优化功耗，从而进一步降低功耗，并且可以在更小的WLP封装中使用。

最新一代的收发器认识到需要集成保护和高效dc - dc降压调节器，以进一步减小传感器子系统的尺寸和散热。随着IO-Link技术在更多工业传感器中的应用，这些设备规格是实现小型、坚固耐用、节能传感器的关键。

参考电路

(1)“IO Link手册”。Devices, Inc.， 2023年2月。

(2)苏Dhanani。“IO-Link使工业物联网成为可能”，ELE时间局，2017年3月。

(3)“将高电流传感器带入IO-Link革命”，Devices, Inc.， 2019年2月。