問題
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(zhí)行器,。智能邊緣可以使用常見的傳統(tǒng)電源嗎？
答案
在某些情況下可以,，但在大多數(shù)情況下不行,！我們需要設(shè)計適應(yīng)性強,、更先進的電源。
摘要
本文介紹了智能邊緣傳感器的不同實現(xiàn)示例,，以及如何選擇和調(diào)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,，但也充滿挑戰(zhàn),。智能邊緣的實現(xiàn)需要智能數(shù)據(jù)方面的準(zhǔn)備。這就需要在電源方面進行創(chuàng)新,。在某些情況下,，智能邊緣傳感器需要由單對雙絞線電纜供電，單對以太網(wǎng)供電（SPoE）解決方案可以滿足需要,。在其他應(yīng)用中,，納安級功耗解決方案有助于節(jié)省能源，從而在傳感器側(cè)實現(xiàn)更長的電池運行時間,。此外,，一些智能傳感器需要超低噪聲 電源，以使傳感器數(shù)據(jù)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(yīng)現(xiàn)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(tǒng)中可以獨立選擇和處理數(shù)據(jù)的傳感器。傳感器和中央控制單元之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少,，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度較小,。當(dāng)然，要處理傳感器提供的數(shù)據(jù),，需要 使用微控制器,。一個簡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化制造區(qū)域,、從而將自己置于危險之中的人員,。處理圖像數(shù)據(jù)時,，必須確保能夠 準(zhǔn)確無誤地識別人員，以便快速做出響應(yīng),，關(guān)停機器,。這應(yīng)該有助于防止傷害。其目標(biāo)是在智能邊緣處理圖像數(shù)據(jù),。只有一個信號（即,，在攝像頭視野中檢測到的人）被傳輸?shù)街醒胗嬎銠C,。不再需要將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胗嬎銠C。因此,，需要的傳輸帶寬更低,，傳輸也得以簡化。
智能邊緣是如何設(shè)計的
通過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(xiàn)有工業(yè)廠房和基 礎(chǔ)設(shè)施來說,，尤其如此,。除了實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸之外，解決方案還應(yīng)能夠輕松且安全地滿足更高電流需求,。
使用現(xiàn)有2線電纜（例如4 mA至20 mA接口）實現(xiàn)智能邊緣
SPoE可以通過2線電纜來用作電源,，因此有助于實現(xiàn)智能邊緣。SPoE與以太網(wǎng)供電（PoE）類似,，但可以使用現(xiàn)有2線電纜（例如4 mA至20 mA接口）來實現(xiàn),。SPoE可將高達52 W的功率傳輸400米的距離，或?qū)⒏哌_20 W的功率傳輸長達1千米的距離,。SPoE在IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)中作出了規(guī)定,。線路的工作電壓為24 V或55 V。這種電源的特點是能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸可以在同一根2線電纜上進行,。數(shù)據(jù)通信基于10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn),。圖1顯示了SPoE通過一根長達1 km的2線電纜提供高達52 W的功率。
圖1. SPoE通過一根長達1 km的2線電纜提供高達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(yīng)用場景中,，工業(yè)環(huán)境中的低功耗傳感器的一個例子是振動傳感器，它們分布在加工廠中,，用以監(jiān)測每臺機器,。
記錄的振動對應(yīng)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。對振動的精密測量使得這種反應(yīng)成為可能,。振動數(shù)據(jù)監(jiān)測需要復(fù)雜的算法來實時評估大量數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)處理可以在部署位置本地進行，或在中央位置進行,。若采用集中評估,，所有收集到的傳感器數(shù)據(jù)都必須通過電纜傳輸,，或通過無線電波無線傳輸。
在許多應(yīng)用中,，直接在傳感器上本地實施數(shù)據(jù)評估是有利的,。對于這樣的實施方案，現(xiàn)有工業(yè)廠房可以簡單地配備振動傳感器,，無需鋪設(shè)額外的電纜,。如果傳感器檢測到超出容差的頻率范圍，它即會發(fā)出規(guī)定的警告信號,。
此類傳感器可以通過磁吸方式固定到機器或設(shè)備上,，并且通常形成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，通過無線電波傳輸數(shù)據(jù),。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)哪個軸承顯示出明顯老化跡 象的信息,。因此,，工業(yè)廠房可以輕松具備預(yù)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(jiān)控。ADI OtoSense SMS通過將先進的檢測技術(shù)與領(lǐng)先的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合來監(jiān)控電機狀況,。
系統(tǒng)正常運行的一個重要先決條件是為傳感器提供適當(dāng)?shù)碾娫?。振動傳感器不僅必須為傳感器本身提供適當(dāng)?shù)碾娫矗€必須為用于評估數(shù)據(jù)的本地微處理器以及用于無線通信的RF模塊的操作提供適當(dāng)?shù)碾娫?。傳感器系統(tǒng)的設(shè)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(jù)傳感器的位置，可以使用太陽能電池,、熱電發(fā)電機（TEG）或壓電轉(zhuǎn)換器,。特別是在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，通常存在可以通過TEG轉(zhuǎn)換為電能的溫度梯度,。借助壓電傳感器,，機械運動也可以轉(zhuǎn)換為電能,。
對于通過電池和能量收集等方式供電的設(shè)備,，優(yōu)化電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路示例,。它是一款100 mA納安級功耗降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。它可以在輸入側(cè)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(wěn)壓輸出電壓,。在運行期間，開關(guān)穩(wěn)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(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)斷時，其僅消耗5 nA電流,。傳感器數(shù)據(jù)不是連續(xù)獲取的,，僅在發(fā)生故障時才需要通信。這意味著MAX38650可以經(jīng)常切換到省電模式,，以進一步節(jié)省能源,。
圖2.用于電池供電傳感器的納安級功耗電壓轉(zhuǎn)換。
每個基本電壓轉(zhuǎn)換電路一般都有一個反饋引腳,。為了提供穩(wěn)壓輸出電壓,，需要一個簡單的電阻分壓器。然而,，電阻分壓器在節(jié)能電路中沒有多大意義,。根據(jù)具體電阻值，要么流經(jīng)分壓器 的電流過高,，導(dǎo)致高損耗,，要么電阻值很高，以致反饋節(jié)點具有非常高的阻抗,。結(jié)果,，噪聲會耦合到反饋節(jié)點并直接影響所需電壓的調(diào)節(jié)。干擾在工業(yè)廠房中是一個尤其突出的問題,。如 圖2所示,，MAX38650有一個RSEL引腳。它使用單個電阻工作,，該電阻用于設(shè)置輸出電壓,。當(dāng)MAX38650開啟時，200 ?A的電流短暫流過該外部電阻,。所得電壓用于設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換器整個工作持續(xù) 時間所需的輸出電壓,。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(diào)且穩(wěn)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(dǎo)和輻射干擾源是主要噪聲源,。借助開關(guān)模式電源開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)的附加濾 波器電路,，可以大大減少傳導(dǎo)干擾，但對于輻射信號源而言,，情況就沒那么簡單了,。良好的電路板布局可以防范過多干擾輻射。即使如此,，系統(tǒng)中仍然存在殘余噪聲耦合,。只有通過良好 的屏蔽（即金屬外殼）才能減少這種情況。然而,，此類屏蔽的制造不僅耗時長,，而且成本高。
采用Silent Switcher? 技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)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,。任何開關(guān)模式電源中出現(xiàn)的脈沖電流路徑都是對稱設(shè)計的，因此產(chǎn)生的磁場在很大程度上相互抵消,。該技術(shù)與倒裝芯片技術(shù)相結(jié)合可以顯著減少輻射 干擾,，后者消除了開關(guān)穩(wěn)壓器IC中的鍵合線。
輻射干擾可減少多達40 dB,。這相當(dāng)于輻射功率減少到原來的萬分之一,。
圖3顯示了Silent Switcher技術(shù)的對稱設(shè)計，同時產(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,，它們大部分相互抵消。
圖3.Silent Switcher技術(shù)大幅降低了輻射干擾,。
Silent Switcher技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展到第三代,。在這一代產(chǎn)品中，超低噪聲線性穩(wěn)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(yīng)用中可以省去開關(guān)模式電源開關(guān)穩(wěn)壓器和敏感負載之間的濾波線性穩(wěn)壓器,。
僅使用一個電感的開關(guān)穩(wěn)壓器適用于尺寸非常重要的應(yīng)用
有些傳感器需要放置在非常狹小的空間中,，尤其是當(dāng)現(xiàn)有傳感器應(yīng)在同一位置替換為現(xiàn)代智能邊緣傳感器的時候。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(zhuǎn)換領(lǐng)域的一個有趣例子是單電感多輸出（SIMO）技術(shù),，它支持使用單個電感生成多個不同的輸出電壓,。該技術(shù)可以節(jié)省原本要由多個電感占用的電路板空間。
圖4顯示了提供兩個精密調(diào)節(jié)輸出電壓的簡單SIMO穩(wěn)壓器電路示例,。額外的電源電壓可以輕松生成。僅需要一個電感L,。
圖4.SIMO電源適用于超小型傳感器,。
SIMO技術(shù)可以通過如下方式實現(xiàn)：單個電感連續(xù)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(guī)定量的能量被置于電感中并用于產(chǎn)生電壓 VOUT2,。通過這種方式,，每個產(chǎn)生的電壓都正好獲得了保持其穩(wěn)定所需的能量。
結(jié)語：工業(yè)傳感器需要適應(yīng)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(xiàn)代工業(yè)傳感器提供理想供電解決方案,。傳感器變得越來越智能,。它們生成的數(shù)據(jù)已經(jīng)在智能邊緣本地進行評估。越來越多的傳感器被用于工業(yè)廠房,，以幫助優(yōu)化流程并盡可能地減少停機時間,。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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