无论过去或是现在，在许多情况下，工业感测器都采用类比。其中包含感测元件，以及将感测数据传输至控制器的某种方式。数据采用单向类比方式进行传输。之後出现了二进位感测器，该感测器提供数位开/关讯号，包含成测元件（电感、电容、超音波、光电等）和半导体切换元件。其输出可能是：高侧（HS）开关（PNP）或低侧（LS）开关（NPN），或者是推挽式（PP）。但数据仍然受到限制，只能从感测器单向传输至主机，不提供错误控制，且仍然需要现场技术人员来执行手动校准等任务。

所以需要更好的解决方案来满足「工业4.0」、智慧感测器和可重新配置的厂区部署等需求，而该解决方案就是IO-Link协定，此为一种相对较新的工业感测器标准，并且呈现迅速成长的态势。

IO-Link相关组织估计，到目前为止，现场使用的支援IO-Link标准的节点超过1600万个。这个数字还在上升。

图一 : 据IO-Link联盟追踪显示，IO-Link协定应用快速成长（source：https://io-link.com/en/）

IO-Link为一种标准化技术（IEC 61131-9），规定工业系统中的感测器和执行器如何与控制器通讯。IO-Link是一种点对点通讯连结，采用标准连接器、电缆和协定。IO-Link系统设计用於工业标准3线感测器和执行器基础设施，由IO-Link主机和IO-Link元件产品组成。

IO-Link通讯在一个主机和一个元件（感测器或执行器）之间进行。通讯采用二进位（半双工）形式，使用非遮罩电缆时，通讯距离限制在20m内。进行通讯需要使用三线式介面（L+、C/Q和L-）。在IO-Link系统中，主机的供电范围为20V至30V，元件（感测器或执行器）的供电范围为18至30V。

在工厂网路层次结构中，IO-Link协定位於边缘，该位置通常部署感测器和驱动器，如图二所示。很多时候，边缘元件与闸道器通讯，闸道器将IO-Link协定转换为所选的现场汇流排。

图二 : IO-Link协定用於将智慧边缘元件连接至工厂网路。

设计IO-Link感测器

工业现场感测器必须坚固、精巧且节能，以尽可能降低散热需求。大多数IO-Link感测器包含以下组件：

· 具有相关类比前端（AFE）的感测元件

· 用於处理数据的微控制器，在使用IO-Link感测器的情况下，也运行羽量级协定堆叠。

· 作为实体层的IO-Link收发器。

· 电源，以及在许多情况下提供的保护功能（用於提供涌浪保护的TVS、EFT/突发、ESD等）。

散热（能效）

了解这些典型组件之後，我们来看看考虑如何预估假定感测器的功率（图三）。所有这些数值都是估算值。图中数值显示，在考虑感测器的总系统功耗预算时，收发器（输出级）的功耗很重要。

最左侧代表较早一代IO-Link感测器。从图中可以看出，多年来微控制器（MCU）和输出级（例如收发器）的技术进步，对於降低系统总功耗所做的贡献。

最初的或第一代IO-Link收发器的功耗为400mW或更高。ADI的低功耗IO-Link收发器的功耗低於100mW。此外，MCU也有助於降低功耗。传统MCU的功耗高达180mW，但较新的低功耗MCU的功耗可降至50mW。先进的IO-Link收发器与低功耗MCU配合使用，可以将感测器的总功率预算保持在400mW到500mW之间。

功耗与散热直接相关。感测器越小，功耗规格越严格。据估计，直径为8mm （M8）的封闭式圆柱形IO-Link感测器的最大功耗为400mW，直径为12mm （M12）的封闭式圆柱形IO-Link感测器的最大功耗为600mW。

技术一直在不断进步。MAX14827A是ADI新款IO-Link收发器，在驱动100mA负载时，其功耗非常低，仅70mW。此为透过优化技术，提供非常低（典型值）导通电阻R_ON来实现。

图三 : 假设的IO-Link工业感测器功率预算。

对於工作电流非常低（例如3到5mA）并且要求使用3.3V和/或5V电源的感测器；可透过LDO提供稳压电源。事实上，ADI的IO-Link收发器整合了一个LDO，但随着所需的电流增加到30mA，LDO很快会成为系统中主要的供电/散热源。在30mA时，LDO的功耗可能高达600mW。

LDO Power @30mA = （24-3.3） x 30mA = 621mW

30mA时，LDO功率 = （24-3.3） x 30mA = 621mW

相较之下，为30mA感测器提供3V输出电压的DC-DC降压转换器的功耗仅为90mW。假设该转换器的效率为90%（仅损失9mW功率），那麽总功耗仅为90 + 9 = 99mW ³。

如图四所示，ADI新推出的IO-Link收发器整合了一个高效DC-DC稳压器。

图四 : ADI新推出的IO-Link收发器整合了高效DC-DC稳压器。

IO-Link感测器尺寸

除了散热之外，工业感测器的第二关注点是尺寸，新IO-Link感测器也是如此。随着逐渐转向更精巧的外型尺寸，板面空间变得越来越重要。

图五显示，对於直径为12mm的外壳，收发器（采用晶圆级封装-WLP-封装）和DC-DC可以并排部署在宽度为10.5mm的标准PCB上。在同一侧还有空馀空间，可以部署通孔和布线。如果感测器外壳直径为6mm，那麽PCB宽度可以减小至4.5mm。在此种情况下，即使采用小型WLP封装，晶片也必须安装在PCB两侧。

图五 : 在新型IO-Link感测器设计中，尺寸是另一大问题。

要实现这些尺寸，收发器必须采用晶圆级封装（WLP），以实现更精小尺寸。此种尺寸限制也是ADI在新型IO-Link收发器中整合DC-DC的原因之一。

但大多数工业感测器必须设计为能够在严苛的环境中工作，因此必须包含保护电路，例如TVS二极体（图五中未显示），因此需注意IO-Link收发器的绝对最大额定值规格。

为什麽IO的绝对最大额定电压为65V有助於减小感测器子系统的尺寸？通常，感测器需承受4个接脚之间的涌浪脉冲：GND、C/Q、DI、DO。ADI IO-Link收发器的绝对最大额定电压为65V。如果我们以C/Q和GND之间的24V涌浪下1KV为例。

C/Q和GND之间的电压 = TVS箝位电压 + TVS正向电压

绝对最大额定电压较高时，设计人员可以使用小型TVS二极体，例如SMAJ33，其箝位电压为60V/24A，TVS正向电压为1V/24A。

C/Q和GND之间的电压 = 61V

以上数值在ADI收发器的绝对最大额定值范围内。

但是，如果绝对最大额定值更低，业界一般在45V左右，就需要一个更大的TVS二极体，例如SMCJ33，用於将电压箝位到可接受的水准。此二极体的尺寸比ADI收发器所需的尺寸大3倍以上。

如果收发器绝对最大（Abs Max）额定值较低，那麽整个感测器设计中较大TVS二极体尺寸的影响会比较明显。表1显示PCB面积的估算差异。此处假设感测器必须能够承受±1KV/24A高位准涌浪。

绝对最大额定值为65V的

IO-Link收发器 绝对最大额定值为45V的

IO-Link收发器

最小的TVS二极体 SMAJ33 SMCJ33

最大电压 61V 45V

总PCB面积 40.5mm² 144mm²

下一代IO-Link收发器在此基础上进行了改善。ADI新推出的IO-Link收发器在IO-Link线路介面接脚（V24、C/Q、DI和GND）上整合了保护功能。所有接脚整合±1.2kV/500Ω涌浪保护。此外，所有接脚也提供反向电压保护、短路保护和热??拔保护。

即使具有所有整合保护功能和整合式DC-DC降压稳压器，这些元件也可以采用微型WLP封装（4.1mm x 2.1mm）；实现非常精巧的IO-Link感测器设计。

结论

图六显示ADI IO-Link收发器的技术进展情况。

图六 : IO-Link收发器的技术进展

第一代IO-Link收发器技术采用易於使用的TQFN封装，整合LDO，可满足小型感测器设计的需求。基於功率和尺寸考虑，第二代收发器技术优化了功耗，采用可降低RON的技术进一步降低功耗，而且可使用更精巧的WLP封装。

最新一代收发器考虑到需要整合保护和高效DC-DC降压稳压器，以进一步缩减感测器子系统的尺寸和散热。

随着越来越多的工业感测器采用IO-Link技术，这些元件规格已经成为实现精巧、坚固、节能感测器的关键。

（本文作者Suhel Dhanani为ADI工业及医疗健康事业部业务开发总监）

[Box]延伸阅读

IO-Link技术的优势

「IO-Link为一种技术，能够将传统的二进位或类比感测器变成智慧感测器，其不再只是收集数据，还允许使用者根据撷取的有关线上其他感测器的健康和状态的即时回??，以及需要执行的操作，在远端更改其设定。IO-Link技术透过一个通用物理介面，使感测器变得可以互换，该介面使用协定堆叠和IO元件描述（IODD）档来实现可配置的感测器埠。其可切实做到随??即用，并且能够即时重新配置叁数。」