模拟集成推动工厂集成

模拟和混合信号 IC 的进步极大地促进了工厂生产力、效率、质量和安全性的空前组合。这些 IC 可实现更高的系统性能、越来越精确的测量、可靠的通信、更低的功耗和更高的安全级别。它们是工厂系统的核心，可快速处理大量基于传感器的测量，精确控制材料处理、加工步骤、功率和温度以及操作安全性。

当计算资源集成到这些模拟和混合信号IC中时，工厂可以部署分布式智能模型。工厂数据现在可以更轻松地与业务管理系统对接。这种集成工厂模型包括下面描述的许多技术和技术，使工厂信息在全球范围内实时提供给供应链、销售、物流和高级管理层。

分布式智能

集成工厂利用分布式智能，将计算资源和决策从控制室推向广泛分散的流程机械。系统架构的这种转变几乎实时地向管理人员提供数据。它消除了数据处理瓶颈。它允许管理层部署更多的测量和控制节点，并对更大的过程数据集采取行动。

分布式智能对工厂车间的好处实际上可以概括为一个概念：正常运行时间。工厂将减少测量到控制的反馈延迟;体验更好的流程效率、吞吐量、在制品（在制品）状态和机器利用率的报告;并降低维护成本。

然而，对公司的好处远远超出了工厂车间。集成工厂系统提供最新的工作流程数据，当与供应链智能相结合时，允许运营优化其调度和库存管理。全球销售和分销管理可以根据精确和及时的工厂生产力数据采取行动。管理层可以更好地优化生产线平衡和产能利用率。

这些诸多优势显然依赖于复杂的软件工具，以实现最高抽象级别的优化操作。但是，如果没有准确、高效和强大的电子设备来实现基于传感器的测量、控制功能和能源管理任务，软件系统就无法提供这些结果。

集成 IC 增强传感器测量

混合信号IC使信号调理和数字化功能更接近通常分布广泛的测量点。传感器节点的数字化通过降低噪声敏感性来提高控制数据质量。温度测量是最常见的过程控制输入之一。原料和其他原材料、烘箱和储罐等加工环境以及驱动电机和成型机等机械的温度都会影响制造质量和系统可靠性。

温度测量通道必须提供负载开路检测，以便在温度传感器或其连接之一断开时，系统可以强制进入安全控制状态。例如，MAX31855等信号调理器读取热电偶，进而监测加工炉的温度。如果检测到任何传感器故障，信号调节器会在数字数据流中报告错误代码，以便系统可以快速响应并切断烤箱电源，并向监控级系统监视器报告故障。

然而，存在一个挑战。温度传感器，如热电偶和电阻温度器件（RTD），输出电压的变化量级仅为每摄氏度10微伏。因此，信号调理器必须准确分辨与温度测量值相对应的小电压。如果信号调理器正在测量RTD，它们还必须以低噪声电流源的形式提供精确的激励信号。RTD将激励电流转换为与其温度成比例的电压。激励电流限制在相对较小的值，以防止传感器因 I2R 耗散。

将传感器激励、信号调理、数字化仪、故障检测和保护电路集成到单个单片器件中，极大地简化了测量通道或通道集群的设计。MAX31855等混合信号IC基本上构成单芯片测量子系统，提供从传感器到数字控制器的指定参数性能;它们消除了 PCB 布局的复杂性，降低了对电噪声源的敏感性，并显著提高了功能密度（图 1）。总之，模拟集成可提高系统性能和过程质量。

图1.完整的热电偶数字转换器包括冷端补偿和故障检测。

供您参考

在没有单个IC满足一组设计要求的情况下，经过测试的参考设计可以加快选择协同工作的组件的过程，以最好地满足最终设备设计目标，缩短上市时间并降低设计风险。

参考设计包括原理图、BOM（物料清单），并且在大多数情况下，可与样品板、布局文件和支持软件一起提供。除了信号处理和电流隔离之外，参考设计还可以实现电源管理功能。它们还可以集成板载微控制器，并提供软件以支持顺序处理和控制接口并保护应用。参考设计非常有助于减少经常花费在调试原理图或软件错误上的时间，以及可能降低精密模拟性能的布局问题。

例如，集成的 Santa Fe 参考设计为电压或电流环路输入实现了四输入模拟前端 （AFE）（图 2）。该设计为电源和输出数据提供电气隔离。

您还可以组合参考设计。例如，蒙特雷电流/电压输出调理器子系统和圣达菲可以组成一个完整的环路供电温度变送器和高精度的模拟前端/接收器。

图2.华辉国际参考设计（顶部）实现了具有 16 位分辨率和板载电流隔离的四通道 AFE，如框图（底部）所示。

驾驶安全

自动化系统输出控制阀、执行器、电磁阀、电机等。系统设计必须确保这些机电设备即使在故障条件下也能安全运行。考虑当电源质量事件迫使其微控制器重新启动时，机械臂处于运动状态。系统不允许手臂在其控制回路中断的情况下继续运动，因此驱动电路必须检测故障并处于安全状态。电机驱动器必须过渡到安全扭矩状态。阀门必须根据情况关闭或打开。通常，所有执行器都必须对生产线中的材料、生产设备以及最重要的是工厂车间的操作员保持安全的状态。

专为工业应用设计的模拟和数字输出器件在支持这些安全要求时简化了控制器硬件设计。例如，像MAX5725这样的多通道DAC（数模转换器）具有集成的可编程看门狗定时器，当DAC收到有效命令时复位。如果看门狗由于通信故障而超时，则看门狗处于活动状态的通道将恢复到预定的可编程输出电位。此功能可确保在主机处理器挂起或通信链路发生故障时，DAC 控制下的执行器、阀门、伺服或其他硬件将处于安全状态。

在翻译中找到

许多工业应用面临的挑战是将来自传感器和开关的24V二进制信号转换为消耗很少能量的低电平逻辑兼容电平。电平转换和电气隔离每个信号的系统成本可能很高。使用板载微控制器对输入进行串行化和隔离以进行监控，大大简化了接口设计，但要求该过程能够承受高输入电压。与传统方法相比，这些设计还必须显著降低功耗;如果要将设计缩小到单个节省空间的IC，则必须集成它们。

如今，像MAX31911这样的工业、多通道、数字输入转换器/串行器可将多个高压输入通道转换、调理和串行化为可编程逻辑控制器（PLC）和相关设备中的微控制器的逻辑兼容信号。与分立电阻-pider方法相比，这些转换器/串行器IC可将功耗降低60%。

许多应用需要电流隔离，串行器可以将必要的隔离通道数量减少到三个。例如，新型MAX31913转换器/串行器提供SPI菊花链，因此来自多个串行器的大量输入可以共享相同的三个隔离信号。为了确保从并行到串行转换的数据完整性，转换器/串行器IC集成了循环冗余校验（CRC）（图3）。

图3.MAX31913工业、八通道、数字输入转换器/串行器允许来自传感器和开关的24V信号直接与低电平CMOS逻辑接口。

到铁轨...和超越

为工业电子产品供电已成为系统设计中越来越具有挑战性的一部分。信号调理和数据处理模块所需的电压轨数量加剧了本已复杂的电气环境;电源轨要求节点或节点集群与控制系统之间实现电气隔离。再加上通过各种功率控制方法实现的日益复杂的节能方法，电源子系统的成本和复杂性只会进一步增加。

考虑到工业信号电平，需要更高的电压轨（如±25V或更高）是相当普遍的。这种高压要求专门针对与外部工业世界接口的前端和后端电路。相比之下，服务于处理器和其他数字电子设备的其他电源轨在低得多的电压下工作。

久经考验的超越轨⁜MAX14778集成的技术通过将模拟和混合信号功能的信号范围扩展到正负电源电位之外，消除了其中一些较高电压轨。因此，单单极性电源是许多功能的唯一要求，否则需要两个甚至三个电源轨（图 4）。

图4.片内电荷泵允许MAX14778实现多协议共享等功能，信号高达±25V，工作在3.0V至5.5V单电源。

低损耗配电

工业客户和系统制造商越来越注意到在大型分布式系统中最大限度地减少能量损失的必要性。一个领域，我2直流配电馈电中的R损耗由MAX17503等高压负载点DC-DC转换器解决。这些转换器直接在高达 60V 的输入下工作，并在低电压下为数字、模拟和混合信号负载提供单级转换。

如今，24V通常用于PLC背板，12V用于板载配电。如果全板使用48V，与12V相比，这可以将电流降低16倍，相应地，PCB铜损降低50倍。此外，通过移除中间DC-DC转换级，这些高输入电压转换器释放了宝贵的电路板空间，并消除了间隙级的成本和能量损失。由于其同步开关架构，它们可以减少铜损、降低连接器触点电流额定值并提高可靠性，同时保持低温运行（通常温度降低 <>%）。

确保工厂安全

采用分布式智能设计的系统利用常见的低成本通信硬件接口和数据传输方法，如以太网和互联网协议。当今的趋势是从专有通信方案转向物联网（IoT）。物联网承诺在工业现场和全球站点之间提供一种低成本的机器对机器（M2M）通信方式。

然而，这些进步使系统漏洞暴露在网络攻击之下。最有效的保护在每个节点和每个接口上都建立了基于硬件的安全性，从而在整个系统中嵌入了安全功能，以防止漏洞。这通常是广泛分散、暴露的系统的整体解决方案的关键部分。通过这种方式，每个设备都具有内置的安全性，每个通信接口都受到保护，并且它们与云之间的通信受到保护。

如今，有经过验证的硬件级安全技术可以防止网络攻击、恶意篡改、IP 盗窃以及使用未经授权或克隆的设备。DS28E35深度盖安全认证器，®1例如， 为主控制器提供一种高度安全的方法，以使用行业标准加密方法对外围设备进行身份验证。

总结

集成工厂和分布式智能。集成安全和物联网。这是安全、成功、高效的工厂的未来。用于工业应用的新型电子系统必须解决系统性能的四个关键方面：精确测量极低信号，同时控制非常高的功率水平;传感器和系统之间的通信广泛分布;低功耗、高密度和低延迟的控制系统;以及最先进的嵌入式安全性。本应用笔记讨论了业界领先的模拟和混合信号集成如何满足这些严格的工业要求。它展示了模拟集成如何推动当今的集成工厂并预测未来的需求。

审核编辑：郭婷