在當今日益自動化和電氣嚴苛的工業環境中，您會發現傳感器隨處可見。它們變得越來越復雜，但也越來越小。它們的復雜性需要板載開關穩壓器來更有效地提供電力，以最大限度地減少熱量產生。然而，挑戰也存在：當這些微型傳感器在高壓工業環境中運行時，如何安全地為它們提供低壓電源？您如何在保持解決方案尺寸小并最大化效率的同時做到這一點？

安全供電

傳感器“盒子”包括一個前端收發器，用于處理數據并將電源路由到降壓轉換器，該轉換器為 ASIC/微控制器/FPGA 和傳感元件提供適當的電壓。傳感器通常由 24V 直流電源 （V BUS ） 供電。圖 2顯示了電源路徑。

圖 2. 傳感器電源系統

在電源管理方面，工廠車間可能是非常具有挑戰性的地方。考慮到這些環境中的長電纜和強電磁干擾，高壓瞬變比比皆是。因此，傳感器內部的降壓轉換器必須承受遠高于傳感器工作電壓的瞬態電壓。

典型的傳感器電源管理解決方案利用瞬態電壓抑制器 （TVS） 來限制前端降壓轉換器的輸入電壓 （V CC ）。相關的輸入電流峰值被電阻 R P 降低，電阻 R P是電壓瞬變源 （V BUS ） 和傳感器之間的電氣路徑中的寄生或物理元件。

為了說明我們的觀點，讓我們考慮從 LittelfuseTM 目錄中選擇 TVS。圖 3顯示了 TVS 的一般特性。

圖 3. 傳感器電源系統中的 TVS VI 特性

TVS 器件處于開路狀態，直到其兩端的電壓達到 V BR。此時，它開始傳導電流，同時其電壓略微上升到其最大鉗位電壓 V C，這對應于最大允許峰值脈沖電流 I PP。乘積 V C x I PP是 TVS 可以處理的最大峰值功率（此 TVS 系列為 400W）。

為有效保護，TVS V BR必須選擇高于 V CC（MAX）而 V C必須低于開關穩壓器輸入電壓擊穿電壓。

理想情況下，對于額定電壓為 60V 的降壓轉換器，可以使用最小 V BR為 33V 的 SMAJ33A（鉗位電壓 V C為 53.3V，遠低于 60V）。這給出了高于 V BUS（MAX） 6.6V和低于 60V 6.7V 的工作裕度（圖 4）。

圖 4. 理想的 TVS 選擇

現在，讓我們考慮一種解決空間限制的獨特新方法：將電感器垂直集成在 IC 頂部。MAXM15064 Himalaya uSLIC 模塊可在 -40°C 至 +125°C 的寬溫度范圍內工作，采用扁平、緊湊、10 引腳、2.6mm x 3mm x 1.5mm 封裝。

圖 5顯示了使用 300mA、60V 降壓轉換器模塊實現的顯著尺寸減小。電感器的垂直集成使得組件的凈面積僅為 21mm 2。

圖 5. MAXM15064 Himalaya uSLIC 模塊中電感器的垂直集成可顯著減小尺寸。

概括

工業 4.0 技術正在使工廠和其他工業環境能夠以更少的人為干預做更多的事情。智能傳感器在這方面發揮著關鍵作用，但它們帶來了獨特的電源管理挑戰。uSLIC 電源模塊是一款微型、高效、低 EMI 降壓轉換器，非常適合為微型傳感器供電，從而使工業應用栩栩如生。