【導(dǎo)讀】IO-Link廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化各大領(lǐng)域。工廠部分區(qū)域環(huán)境溫度偏高，致使各類模塊與電子元件長期處于嚴(yán)苛的工作狀態(tài)。隨著工業(yè)4.0持續(xù)推進(jìn)，智能功能不斷向邊緣端下沉，設(shè)備尺寸要求也愈發(fā)嚴(yán)苛。想要實現(xiàn)更小的外形尺寸，散熱問題便成為設(shè)計中必須重點(diǎn)考量的環(huán)節(jié)。
小型化設(shè)計與IO密度提升
工業(yè)4.0推動智能向邊緣端延伸，IO-Link的應(yīng)用場景不斷拓展，設(shè)備安裝空間也日趨緊湊。這不僅對每一款I(lǐng)O-Link傳感器與執(zhí)行器的體積和性能提出挑戰(zhàn)，也間接提高了IO-Link主站網(wǎng)關(guān)在尺寸與接口密度上的設(shè)計要求。
這類網(wǎng)關(guān)通常集成4路、8路或16路IO-Link主端口，單通道驅(qū)動負(fù)載電流可達(dá)500mA，而整板PCB面積僅略大于普通智能手機(jī)。由此可見，功耗分布是核心設(shè)計要點(diǎn)，直接決定模塊的發(fā)熱量以及核心電子器件的運(yùn)行可靠性。
功耗計算
借助器件數(shù)據(jù)手冊中的公開參數(shù)，即可快速計算芯片的理論功耗：
根據(jù)IO-Link規(guī)范，單通道最大負(fù)載電流為500mA。計算功耗時，可查詢C/Q驅(qū)動器的導(dǎo)通電阻，或讀取500mA電流工況下的壓降數(shù)值。
以MAX14819A為例，其最大導(dǎo)通電阻為2.2Ω。
結(jié)合上述公式，即可估算出MAX14819A單通道的最大功耗：
這類簡易計算可作為產(chǎn)品選型對比的初步依據(jù)。下文將結(jié)合實測數(shù)據(jù)，對比實際功耗與理論計算值。
實際案例：MAX14819A
下面以ADI雙路IO-Link主站MAX14819A為例，通過實測數(shù)據(jù)來分析實際功耗與散熱表現(xiàn)。
本次測量基于ADI的MAXREFDES165 IO-Link主站參考設(shè)計，加載電流設(shè)為500mA。
1.測量每個通道上存在的電壓(VCQ)，使用已知負(fù)載(RLoad = 47.7?)
? MAX14819A = 23.27V
2. 測量電源電壓(VS)
? MAX14819A = 23.81V
3. 計算輸出電流(I = VCQ/RLoad)
? MAX14819A = 23.27V / 47.7? = 488mA
4. 根據(jù)測得的電壓降(VDrop = VS – VCQ)和輸出電流，計算功耗
? MAX14819A = (23.81V – 23.27V) x 488mA = 264mW（每通道）
實測結(jié)果表明，MAX14819A實際功耗偏低，與典型功耗指標(biāo)高度吻合。
通過熱成像儀可直觀觀測發(fā)熱情況：測量持續(xù)約10分鐘后，MAX14819A核心區(qū)域（圖中白色區(qū)域）溫度升至40℃。本次測量期間的環(huán)境溫度為25℃，溫升處于合理范圍：
MAX14819A：?T = +15℃
圖1：MAX14819A
MAX14819A最高工作溫度為125℃。實測數(shù)據(jù)證明，即便所有通道滿負(fù)載運(yùn)行，該芯片也可在工業(yè)級高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。
有效控制發(fā)熱量，能夠順應(yīng)IO-Link技術(shù)的普及趨勢，正如“IO-Link：工業(yè)互聯(lián)技術(shù)簡介”一文所述，助力設(shè)備實現(xiàn)小型化，并進(jìn)一步強(qiáng)化邊緣端智能能力。
關(guān)鍵要點(diǎn)
功耗是IO-Link產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵要素。IO-Link網(wǎng)關(guān)大多部署在工廠邊緣區(qū)域，長期面臨高溫工況。若設(shè)備內(nèi)部器件發(fā)熱量過大，不僅會限制產(chǎn)品小型化設(shè)計，還需額外加裝散熱器等配件，推高整體成本。
ADI的IO-Link解決方案，如MAX14819A，充分適配嚴(yán)苛的設(shè)計要求，能夠?qū)⒐呐c發(fā)熱量控制在更低水平。
開展新項目設(shè)計前，建議先完成功耗測算與實測驗證，既能提升效率、規(guī)避問題，也能選出最優(yōu)方案。
