多快好省

 
针对同一线路上共享电源和数据，目前有多种标准，包括针对数据线供电(PoDL)的IEEE 802.3bu，以及针对以太网供电(PoE)的IEEE 802.3af，采用带有专用电源接口控制器。这些定义的标准通过检测、连接检查、分类和开/关故障监测，提供了受控的安全电源连接。在安全供电情况下，功率水平范围为几瓦至几十瓦。与适用于广泛应用的标准化PoE/PoDL规范相反，术语“工程电源(EP)”是指定制的数据线供电设计，通常用于单个应用。例如，针对电机控制编码器应用，Hiperface DSL规范1将电源和数据耦合至同一线路。工程电源还可用于一些现代传感器系统中。
 
一般的共享电源和数据接口经过编码，可减少信号直流成分，从而在发送交流信号成分时简化系统设计。但是，许多数字输出传感器接口（例如，SPI和I2C）尚未经过编码，具有可变的信号直流成分，因此不是共享数据和电源设计的自然之选。对SPI或I2C进行编码需要额外的微控制器，这会增加解决方案的成本和尺寸，如图1所示。为了免去编码和额外增加微控制器的麻烦，设计人员必须尝试采用多快好省的办法，这就需要仔细设计和模拟工程电源电路。工程电源电路由电感、电容和保护电路组成，一起构成了一个滤波器。  

工程电源背景

 
功率和数据通过电感电容网络分布在一对电线上。高频数据通过串联电容与数据线路耦合，同时保护通信收发器免受直流母线电压影响。主控制器上的电源通过电感器连接到数据线路，然后使用电缆远端的子节点传感器节点上的电感器进行滤波。
 
电感电容网络将产生高通滤波器，因此耦合解决方案必须添加到不需要直流数据成分的数据线上。但是，有些接口未在物理层进行编码以去除直流成分，例如，SPI。在这种情况下，系统设计人员需考虑最坏情况的直流成分场景，即数据帧中发送的所有位均为逻辑高电平（100% 直流成分）。所选的电感还将具有指定的自谐振频率(SRF)，超过该频率时，电感值会下降，寄生电容会增加。这样，工程电源电路将同时充当低通和高通滤波器（带通）。基于模拟的建模可大大帮助系统设计人员了解该限制。
 
长距离移植SPI时，电缆和元件会影响系统时钟和数据同步。可能的最大SPI时钟基于系统传输延迟设置，包括电缆传输延迟，以及主节点和子节点元件传输延迟。虽然本文未作进一步讨论，但设计人员应意识到该额外限制，更多信息请参考文章“为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分”。2
 
图2所示为简化的工程电源电路，可用于进行滤波或下降电压和下降时间分析。受数据线供电网络电感的影响，通信总线电压会下降，如图3所示。电压下降分析很重要，因为当电压下降超过峰值电压的99%时，网络中会出现位错误。可将系统设计为符合特定的电压下降和时间下降规范。例如，1000BASE-T以太网假设500 ns内的电压下降为27%，3如图3所示。
 
使用图5和图6的LTspice波形测量V_DROOP、V_PEAK和T_DROOP。然后，使用等式2和等式4计算L值和C值。如表1所示，计算出的L值为1 mH至3 mH，但该值可能因测量波形的位置而有所不同。在X点进行的测量最准确，产生了约为1 mH的正确电感值。高通滤波器频率（等式6）就是下降时间和电压的函数，对于点X，1位（半个时钟周期）的频率约等于250 kHz/32，与图5所示的输入波形(V3)相匹配。
 
运行图4所示的模拟时，值得注意的是，建议使用C8电容来降低传感器上的电压过冲（功率提取节点上的V_POUT）。添加C8以后，过冲最大值为47 mV，并且在1.6 ms内建立至所需5 VDC的1 mV以内。在不使用C8电容的情况下进行模拟导致系统欠阻尼，过冲值为600 mV，并且与5 VDC目标存在100 mV的永久电压振荡。
 
C值为0.4 μF至1 μF，如表1所示。C值小于10 µF隔直电容值，因为电路包含额外的串联电容（1 µF、100 µF），且可能出现过阻尼，这与等式1至等式6的计算相矛盾。

 

完整的MEMS信号链模拟

ADI公司提供很多设计笔记，可帮助设计人员完成MEMS信号链设计，并使用LTspice进行模拟（参见图9）。虽然很多MEMS均为数字输出，但也有很多高性能传感器具有模拟输出。模拟运算放大器和ADC信号链可在完成硬件设计构建之前提供有价值的见解。
 
如要分析低通滤波、放大器和ADC输入对传感器数据的影响，设计人员可参考Gabino Alonso和Kris Lokere提供的LTspice基准电路。6可提供AD4002和AD4003 18位SAR ADC以及16位LTC2311-16的模拟模型。关于使用LTspice开发定制的模数转换器模型，Erick Cook提供了有用的实践指南。7
 
有200多种运算放大器模型可供选择，包括ADA4807和ADA4805系列。可提供基准电压宏模型（例如，ADR4525和LTC6655-5），以及ADA4807-1基准电压缓冲器。
 
Simon Bramble在他的一篇关于状态监控系统的文章中介绍了如何使用LTspice来分析振动数据的频谱。8 Simon的文章提供了关于格式化和分析捕获的传感器数据的有用提示。
 
图10所示为ADXL1002低噪声、±50 g MEMS加速度计频率响应的LTspice模型示例。以LTspice拉普拉斯格式使用串联LRC电路与MEMS频率响应很接近。模拟模型与数据表典型性能保持较好的一致性，谐振频率为21 kHz，在11 kHz时为3 dB。对于交流分析，最好在LTspice中使用Laplace电路，但对于瞬态分析，应使用分立式RLC器件以获得最佳模拟性能。
图14.数据线供电的有线振动监控。

 

结论

 
现代MEMS传感器解决方案的体积小、集成度高，并且放置在振动源附近，用于测量振动频率。频率随时间的变化表明振动源（电机、发电机等）存在问题。频率测量对于CbM而言至关重要。使用工程电源解决方案可节省MEMS传感器的连接器数量和电缆成本。LTspice是强大的免费模拟工具，可用于模拟工程电源设计。数千个功率器件模型（包括LTM8002 Silent Switcher器件）可用于完成剩余的设计部分。使用提供的ADC、运算放大器和MEMS模型，可实现完整的MEMS信号链模拟。

 

参考文献

1 Hiperface DSL^®—数字进化。SICK Sensor Intelligence，2020年10月。
2 Richard Anslow和Dara O’Sullivan。“为工业4.0启用可靠的基于状态的有线监控——第2部分。”ADI公司，2019年11月。
3 “IEEE 802.3bu-2016——IEEE以太网标准——修正案8：单根平衡双绞线以太网由数据线供电(PoDL)的电线的物理层和管理参数。”IEEE，2017年2月。
4 Andy Gardner。“PoDL：去耦网络演示。”凌力尔特，2014年5月。
5“EN 50155:2017用于铁路车辆的铁路应用电子设备”。
6 Gabino Alonso 和 Kris Lokere。“LTspice：仿真SAR ADC模拟输入。”ADI公司，2017年11月。
7 Erick Cook。“使用LTspice模拟混合连续采样系统。” EDN Asia，2020年1月。
8 Simon Bramble。“使用LTspice分析状态监控系统中的振动数据。”《模拟对话》，第54卷 
第2期，2020年6月。

 

作者简介

Richard Anslow是ADI公司自动化与能源业务部互连运动和机器人团队的系统应用工程师。他的专长领域是基于状态的监测和工业通信设计。他拥有爱尔兰利默里克大学颁发的工程学士学位和工程硕士学位。联系方式：richard.anslow@analog.com。