智慧邊緣感測器需要新的電源概念
智慧邊緣感測器需要新的電源概念
作者：ADI 電源管理專家Frederik Dostal
問題
智慧邊緣逐漸拓展至產業的各個領域，取代傳統的邊緣感測器與致動器。然而智慧邊緣是否能採用傳統的一般電源供應器?
答覆
在一些情況下確實可以，但在大多數狀況下並不可行! 這方面需要設計經過調整且更加先進的電源供應器。
摘要
本文介紹智慧邊緣感測器的多種建置實例，以及如何選擇與調整電源管理解決方案，藉以提供解決方案。本文同時也將探討一些目前市面上的解決方案。
介紹
目前，工業感測器使用的電源供應器在各種創新技術的挹注下已發展得相當成熟，但同時也面臨許多挑戰。智慧邊緣的建置需要資料準備的智慧功能，而電源供應必須對此進行創新研發。在一些狀況中，智慧邊緣的感測器需要透過一條單對雙絞線供電，也就是單對乙太網路供電(SPoE)解決方案提供的功能。在其他應用方面，nanopower超低功耗解決方案可協助節省能源，以在感測器端讓電池達到更長的運行時間。此外，一些智慧感測器則是需要超低雜訊的電源供應器來確保感測資料傳輸不受到干擾。最後，要在邊緣端為感測器加入智能，就需採用更高功率密度的電源供應器，這是因為新型感測器必須適應現有的外型規格。
什麼是智慧邊緣?
智慧邊緣指的是工業系統中能獨立選擇與處理資料的感測器。感測器與中央控制單元之間的資料傳輸量較少，因此資料傳輸的難度也較低。當然，這裡還需要一個微控制器負責處理感測器供應的資料。一個簡單的例子就是用來偵測特定訊息的光學感測器。舉例來說，其能偵測到不小心踏入自動化生產廠區因而使自己身處危險的人員。這裡採用的影像資料處理方式必須能明確辨識出人員，如此方能迅速做出反應以便及時關閉機器，防止人員受傷。最終目標，是要在智慧邊緣處理影像資料，使唯一傳送到中央電腦的訊號只有攝影機視野中偵測到的人員，由於這裡省去將影像資料傳送到中央電腦的流程，因此需要的傳輸頻寬降低，傳輸程序也因此而簡化。
智慧邊緣如何設計?
藉由在智慧邊緣配置額外的處理單元(微控制器)，即可建構出智慧感測器。不過這個單元會消耗較高的電流，因此需要採用新概念來為感測器供應更高的電流。對於現在的工業廠房與基礎設施而言尤其如此。除了實現安全數據傳輸之外，解決方案還應提供簡單且安全的方法來滿足更高電流的需求。
運用現有2-Wire纜線(4至20mA介面)實現智慧邊緣
SPoE有助於實現智慧邊緣，因為其可透過雙芯纜線供應電源。SPoE類似乙太網路供電(PoE)，但其可以運用現有的2-wire纜線(像是4至20mA介面)來實現。使用SPoE，可在400公尺內傳輸高達52W的電力，或在1公里距離內傳送20W的電力。SPoE是由IEEE 802.3 cg標準所規範，其纜線的工作電壓為24V或55V。這種電源的特殊點是能源與數據傳輸可以透過同一條雙芯纜線進行。數據通訊是採用100-Base-T1L標準。圖1顯示一個SPoE，透過一條2-wire 纜線傳送52W的電力，傳輸距離最遠達到1公里。
工業環境的Nanopower 微功率感測器
工業環境中，一個智慧邊緣的低功耗感測器實例就是分散在工廠各處的震動感測器，其主要用來監視各部機器。
記錄下的振動數據可對應不同的頻率，反映機械軸承與傳動軸是否仍能可靠運行，因此從數據中可發現出老化的早期跡象，藉以降低意外停機或機具運行時超出額定公差的機率。這種反映機制是透過對震動進行精準量測所得，資料處理可在部署地點或中央節點進行。若是採用集中評估方式，蒐集到的所有感測器資料就必須透過纜線或無線電波進行傳輸。
在許多應用中，在感測器就地評估數據是相當有利的作法。在此種實作方式中，現有的工業廠房可設置振動感測器，無需佈設額外的纜線，一旦感測器偵測到超出容限範圍的頻率時，就會發出預先設定的警告訊號。
此種感測器可透過磁吸方式固定在機器或設備上，並透過無線電波傳送資料，通常採用mesh網路拓撲。在mesh網路中，各種不同的感測器可直接相互通訊，並傳遞訊息以反映哪一個軸承正透露出老化的跡象。如此現有的工廠即可輕易配備預測維護的能力。Analog Devices 的OtoSense™ Smart Motor Sensor (SMS) 技術就是一個很好的例子。其為一具備AI功能的全套輸出式軟硬體解決方案，主要可用來執行狀態監測，透過結合頂尖的感測技術與領先業界的資料分析功能監視電動馬達的狀況。
系統正常運行的一個關鍵條件是為感測器供應適合的能源。振動感測器除了要為感測器提供適合的電源，還須為負責評估資料的本地微處理器以及負責無線通訊的射頻模組供應電源。感測器系統的設計目標是盡可能降低消耗電流。這裡可採用電池作為能量來源，或採用能源採集技術。這兩種技術通常會一起使用。加入能源採集技術可延長電池壽命，如此電池就不須頻繁更換。能源採集方案可收集各種能量來源，根據感測器佈設的位置，可選擇採用太陽能電池、熱電發電機(TEG)或壓電轉換器。特別是在工業加工廠房，通常會存在溫度梯度，因此可運用熱電發電機將溫差轉換成電能。機械運動也可透過壓電轉換器轉換成電能。
對於電池供電的裝置以及用能源採集技術的設備，最佳電壓轉換扮演著關鍵角色。高效率非常重要，目前業界已針對此需求開發出多種不同的nanopower管理IC。
圖2 顯示一個採用MAX38650的電壓轉換電路。其為100 mA nanopower降壓式切換式穩壓器，可在輸入端5.5V電源電壓的環境下工作，並能提供1.2至5V的穩壓輸出電壓。在工作期間，切換式穩壓器本身僅消耗390 nA的電流(典型值)，這是一個非常低的靜態電流。切換式穩壓器關斷時，消耗電流僅5 nA。感測器資料不是連續性的採集，且只有在發生故障時才有必要進行通訊，這意謂MAX38650可經常切換至省電模式，進一步節省更多能源。每個基本電壓轉換電路通常會有一個回饋接腳，而要供應一個穩壓輸出電壓則需要一個電阻分壓器。然而，在節能電路中，使用電阻分壓器並沒有太大意義。根據電阻值的不同，若不是通過分壓器的電流過高並導致高損耗，不然就是電阻值過高，使得回饋節點有極高的阻抗。因此，雜訊會耦合到回饋節點，並直接影響所需電壓的調節。在工業廠房中，干擾問題尤其明顯。如圖2所示，MAX38650具有一個RSEL 接腳，其使用一個電阻來設定輸出電壓。MAX38650切換至導通時，200 μA的電流會短暫通過外部電阻，所產生的電壓設定了電壓轉換器整個工作期間所需的輸出電壓，這是兩全其美的方法: 工作期間漏電流低，而輸出電壓既可調又穩定。
低頻率下仍能達到最小雜訊的極小訊號專用電源供應器
許多感測器能量測極小的訊號，為防止這些訊號失真，必須使用雜訊極低的電源。傳導與幅射的干擾訊號源會產生顯著的效應，雖然在開關電源的輸入端和輸出端增加額外的濾波電路可以大幅減少傳導干擾，但對於幅射訊號源就無法發揮太大的作用。良好的電路板配置可防範過多的幅射干擾，即使如此，系列中仍然存在殘留的雜訊耦合，這只能透過良好的屏蔽，亦即運用金屬外殼來減少干擾，然而，這種屏蔽不但製造費時，而且成本高昂。
運用Silent Switcher® 技術的切換式穩壓器可提供一項極巧妙的解決方案，將幅射干擾減至最低。任何切換模式電源供應器的脈衝電流路徑都採用對稱式設計，主要是讓產生的磁場大部分都能相互抵銷，而這項技術再加上消除切換式穩壓IC內接合線的覆晶技術將可大幅減少幅射干擾。
幅射干擾最多可降低40 dB，這相當於幅射功率降低1萬倍。
圖3顯示Silent Switcher技術的對稱式設計，同時產生的局部脈衝電流以綠色表示。脈衝電流產生不同極性的脈衝磁場，而且很大程度上會相互抵銷。
Silent Switcher已邁入第三代。在這一代產品中，超低雜訊的線性穩壓器亦採用特殊的超低雜訊技術以減少低頻範圍的干擾，尤其是10 Hz至 100 kHz範圍內的干擾，同時讓用戶能省去切換模式電源內部切換穩壓器以及敏感負載之間的濾波線性穩定器。
當尺寸發揮關鍵作用 - 僅用一個電感的切換式穩壓器
許多感測器必須裝在極精小的空間 – 尤其是現有的感測器必須更換同一位置的現代智慧邊緣(Intelligent Edge)感測器。由於功能提升，通常也需要用到更多電子元件，因此必須找出創新的方法來縮減實體尺寸。
電壓轉換領域中有一個很有意思的例子，就是單電感多輸出(SIMO)，其僅運用一個電感即可輸出多個不同的電壓，運用此種拓撲可省去多個電感所佔用的電路板空間。
圖4顯示一個簡單SIMO穩壓電路的例子，目的是輸出兩個精準調節的電壓。這裡還可輕易產生額外的電源電壓，而且只需用到一個電感L。
SIMO技術建置程序如下: 所有單獨輸出電壓配置一個電感。一定量的能源儲存在電感內，然後用來產生輸出電壓VOUT1，之後另一個定義數量的能源置於電感內，用來產生 VOUT2電壓。透過這種方式，每個產生電壓都能得到實際需要的能量，藉以保持穩定。
總結:工業感測器需要調整過的電源供應器
本文介紹了電源供應器領域的創新，並展現業界所提供最佳化的現代工業感測器。隨著感測器變得更加智能化，其所產生的資料已可在智慧邊緣就地評估；工業廠房亦逐漸透過越來越多的感測器協助優化製程，並將停機時間降至最低。為迎接此趨勢，運用如能源採集此類創新的能源供應概念將非常關鍵。