非常见问题第219期：智能边缘传感器需要新电源概念

题目

智能边缘正扩展到全行业，逐步替换原有的边缘和执行器。智能边缘能够应用罕见的传统电源吗？

谜底

在某些情况下能够，但在大多数情况下不行！咱们需求设想适应性强、更进步前辈的电源。

择要

本文先容了智能边缘传感器的分歧完成示例，以及若何抉择和调解解决计划以供应现实解决计划。本文还探讨了今朝可用的一些传感器解决计划。

弁言

工业传感器电源畛域今朝立异迭出，但也布满挑衅。智能边缘的完成需求智能数据方面的预备。这就需要在电源方面举行立异。在某些情况下，智能边缘传感器需要由单对双绞线电缆供电，单对以太网供电(SPoE)解决计划能够餍足需求。在其他使用中，纳安级功耗解决计划有助于节减动力，从而在传感器侧完成更长的电池运转时候。另外，一些智能传感器需求超低噪声 电源，以使传感器数据不受影响。最初，在边缘增添传感器智能将需求应用功率密度更高的电源。这是由于，新传感器需求顺应现有的形状尺寸。

甚么是智能边缘

“智能边缘”一词是指工业体系中能够自力抉择和处置数据的传感器。传感器和中心操纵单位之间传输的数据量较少，是以数据传输的难度较小。当然，要处置传感器供应的数据，需求 应用微控制器。一个简略的例子是用于检测特定信息的光学传感器。比方，它能够检测不小心踏入自动化创造地区、从而将本人置于风险当中的职员。处置图象数据时，必需确保可以或许 正确无误地辨认职员，以便倏地做出呼应，关停机械。这应当有助于避免危害。其目的是在智能边缘处置图象数据。惟独一个旌旗灯号（即，在摄像头视线中检测到的人）被传输到中心计算机。再也不需要将图象数据传输到中心计算机。是以，需求的传输带宽更低，传输也得以简化。

智能边缘是若何设想的

经由过程在智能边缘增添处置单位（微控制器），就能建立智能传感器。然而，该单位的电流损耗较高。为了供应传感器所需的更高电流，咱们需求新的供电观点。关于现有工业厂房和基 础办法来讲，特别云云。除了完成平安数据传输以外，解决计划还应可以或许轻松且安全地餍足更高电流需要。

应用现有2线电缆（比方4 mA至20 mA接口）完成智能边缘

SPoE能够经由过程2线电缆来用作电源，是以有助于完成智能边缘。SPoE与以太网供电(PoE)近似，但可以应用现有2线电缆（比方4 mA至20 mA接口）来完成。SPoE可将高达52 W的功率传输400米的间隔，或将高达20 W的功率传输长达1千米的间隔。SPoE在IEEE 802.3cg规范中作出了划定。路线的事情电压为24 V或55 V。这类电源的特点是能量传输和数据传输能够在统一根2线电缆上举行。数据通讯基于10BASE-T1L规范。图1表现了SPoE经由过程一根长达1 km的2线电缆供应高达52 W的功率。

图1. SPoE经由过程一根长达1 km的2线电缆供应高达52 W的功率。

工业环境中的纳安级功耗传感器

在智能边缘的使用场景中，工业环境中的低功耗传感器的一个例子是振动传感器，它们漫衍在加工厂中，用以监测每台机械。

记载的振动对应于分歧的频次，供应对于机器轴承和轴是不是仍能靠得住运转的指导。从中能够识别出老化的晚期迹象。经由过程这类体式格局能够下降计划外资产停机或超越特定运转容差的可能性。对振动的周详丈量使得这类反映成为大概。振动数据监测需求庞杂的算法来及时评价少量数据。数据处置能够在安排地位当地举行，或在中心地位举行。若接纳集合评价，所有收集到的传感器数据都必须经由过程电缆传输，或经由过程无线电波无线传输。

在许多使用中，直接在传感器上当地实行数据评价是无利的。关于如许的实行计划，现有工业厂房能够简略地配备振动传感器，无需铺设额定的电缆。假如传感器检测到超越容差的频次局限，它即会收回划定的正告旌旗灯号。

此类传感器能够经由过程磁吸体式格局流动到机械或设置装备摆设上，而且平日构成网格网络，经由过程无线电波传输数据。在这类网格网络中，种种传感器互相通讯，并传输无关哪一个轴承显示出显然老化迹 象的信息。是以，工业厂房能够轻松具有展望性保护才能。ADI 公司的 OtoSense™ 智能机电传感器(SMS)手艺便是此中的一个例子。它是一种基于野生智能手艺的残缺硬件和软件解决计划，用于状况监控。ADI OtoSense SMS经由过程将进步前辈的检测手艺与当先的数据阐发相结合来监控机电状态。

体系失常运转的一个首要先决前提是为传感器供应适量的电源。振动传感器不但必需为传感器自身供应适量的电源，还必须为用于评价数据的当地微处理器以及用于无线通讯的RF模块的操纵供应适量的电源。传感器体系的设想有助于尽量下降电流损耗。它可以使用电池作为动力，或许应用能量采集。这两种手艺常常一路应用。增添能量采集性能可延长电池寿命， 如许就无须频仍改换电池。能量采集能够应用多种动力。依据传感器的地位，能够应用太阳能电池、热电发电机(TEG)或压电转换器。特别是在工业出产设置装备摆设中，平日存在能够经由过程TEG转换为电能的温度梯度。借助压电传感器，机器活动也能够转换为电能。

关于经由过程电池和能量采集等体式格局供电的设置装备摆设，优化电压转换非常首要。高效率是关头。有几种分歧的纳安级功耗治理集成电路合用于此目标。

图2所示为接纳MAX38650的电压转换电路示例。它是一款100 mA纳安级功耗降压开关稳压器。它能够在输出侧接纳高达5.5 V的电源电压，而且可提供1.2 V至5 V之间的稳压输入电压。在运行时期，开关稳压器自身仅损耗390 nA的电流（典型值）。这是异常低的动态电流。当开关稳压器关断时，其仅损耗5 nA电流。传感器数据不是继续猎取的，仅在产生毛病时才需求通讯。这意味着MAX38650能够常常切换到省电模式，以进一步节减动力。

图2.用于电池供电传感器的纳安级功耗电压转换。

每一个基础电压转换电路普通都有一个反馈引脚。为了供应稳压输入电压，需求一个简略的电阻分压器。然而，电阻分压器在节能电路中没有多大意思。依据详细电阻值，要末流经分压器 的电流太高，致使高消耗，要末电阻值很高，致使反馈节点拥有异常高的阻抗。效果，噪声会耦合到反馈节点并间接影响所需电压的调理。滋扰在工业厂房中是一个特别凸起的题目。如 图2所示，MAX38650有一个RSEL引脚。它应用单个电阻事情，该电阻用于配置输入电压。当MAX38650开启时，200 µA的电流长久流过该内部电阻。所得电压用于配置电压转换器全部事情继续 时候所需的输入电压。这是分身其美的计谋：事情时期的漏电流较低，输入电压可调且稳重。

适用于超小旌旗灯号且纵然在低频下噪声也异常低的电源

许多传感器能够丈量异常小的旌旗灯号。为了避免这些旌旗灯号失真，必需应用噪声异常低的电源。传导和辐射滋扰源是首要噪声源。借助开关模式电源开关稳压器的输出侧和输入侧的附加滤 波器电路，能够大大缩小传导滋扰，但关于辐射信号源而言情形那末简略精良的电路板结构能够防范过量滋扰辐射纵然云云体系依然存在残存噪声耦合惟独经由过程精良屏障（即金属外壳能力缩小这类情形。然而，此类屏障创造不但耗时长并且本钱接纳Silent Switcher手艺的开关稳压器供应了一种异常巧妙的解决计划能够有效地缩小辐射滋扰。任何开关模式电源涌现的脉冲电流门路都是对称设想是以发生的磁场在很大水平互相对消手艺与倒装芯片手艺相结合能够显著缩小辐射滋扰，后者消除了开关稳压器IC中的键合线。

辐射滋扰缩小多达40 dB。这相当于辐射功率缩小本来的万分之一表现了Silent Switcher手艺的对称设想，同时发生部分脉冲电流以绿色表现。脉冲电流发生分歧极性的脉冲磁场，它们大部分互相对消。

图3.Silent Switcher手艺大幅降低了辐射滋扰。

Silent Switcher手艺现已发展到第三代。在这一代产物中，超低噪声线性稳压器还采用了非凡的超低噪声手艺缩小低频局限滋扰，特别是10 Hz至100 kHz之间滋扰。这一代Silent Switcher手艺使得在许多使用能够省去开关模式电源开关稳压器和敏感负载之间的滤波线性稳压器。

有些传感器需求搁置异常狭窄的空间中，尤其是当现有传感器应在统一地位替换为当代智能边缘传感器时间因为性能加强平日还需要更多的电气元件是以必需找到减小物理 尺寸立异要领。

电压转换畛域的一个无味例子是单电感输入(SIMO手艺支撑应用单个电感天生多个分歧输入电压手艺能够节减底本要由多个电感占用的电路板空间表现供应两个周详调理输入电压简略SIMO稳压器电路示例额定的电源电压能够轻松天生需求一个电感L。

图4.SIMO电源适用于超小型传感器。

SIMO手艺能够经由过程以下体式格局完成：单个电感继续用于所有独自输入电压。一定量的能量被置于电感而后用于发生电压VOUT1以后另外一规定量的能量被置于电感中并用于发生电压 VOUT2经由过程这类体式格局每一个发生的电压恰好获得了坚持稳固所需的能量。

结语：工业传感器需求适应性强的电源

本文先容的电源畛域创新都展示了如作甚当代工业传感器供应现实供电解决计划。传感器变得愈来愈智能。它们天生的数据已经在智能边缘当地举行评价。越来越多的被用于工业厂房赞助优化流程尽量缩小停机时候。为了跟上这一趋向需要接纳能量采集立异的供电观点。