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关键词: 保护, 规格

问：压敏电阻规格说明

压敏电阻是非线性双向电压依赖型保护器件，具有相对较高的瞬态电流和能量等级（反应时长为纳秒至毫秒等级）。压敏电阻的快速反应时间用于防止电子电路出现电压瞬变、电压浪涌、电压尖峰、过电压事件和ESD。压敏电阻通常用于电路前端的输入线路，有时也用于电路后端的输出线路。压敏电阻是常开型器件，直至过压发生，在这种情况下，压敏电阻以指数级速度降低电阻的方式来钳制电压。

因为大多数过电压情况电压值都未知，所以很难知道压敏电阻是否是在其限值范围内使用。压敏电阻如果在规格范围内操作，则随着时间的推移通常不会出现任何劣化现象；但是，在电压事件出现后压敏电阻会随着时间的推移变得“更具电阻性”（老化）。压敏电阻的老化失效最初会表现为几乎短路的状态，但如果压敏电阻没有串联热敏电阻或电阻丝以限制电流值，则电路最终会开路。

某些压敏电阻会内置热元件，这不仅可快速检测过高热量，还可节省电路板空间。此类压敏电阻有2个或3个引脚封装形式，其中第3个引脚通常是一个“输出指示器”，显示压敏电阻内部的状态，通常是输出到某种外部指示器电路。每个封装内也可以包含多个压敏电阻。

	Littelfuse 的SMOV25S151MP
	EPCOS的B72214T2301K105

大多数压敏电阻的规格书中还包含脉冲率曲线图或抗重复浪涌能力图，以展示压敏电阻对应的规格。超出这些规格可能导致器件不符合最初发布的规格。如果未正确选择规格，则可能导致压敏电阻无法正常工作、生命周期缩短或完全失效。因为针对每个压敏电阻可采用不同的测试方法来确定压敏电阻值，所以在确定是否选择了正确的压敏电阻之前，务必要查看规格书。

压敏电阻相关术语

• 压敏电压（最小值）： 压敏电阻电阻值发生变化时的近似最小电压，或“开始导通”电压，通常通过在指定的受控电路或电气值下运行压敏电阻来确定该值。
• 压敏电压（典型值）： 该值为最小和最大压敏电压之间的典型浪涌电压或近似“中点”电压。这通常是衍生自最小和最大电压的中点电压的特定通用值。
• 压敏电压（最大值）： 有时称为钳位电压（最大值），是压敏电阻在指定峰值脉冲持续时间内传导（或通过电路）的近似最大电压，如果在规格范围内操作，则不会导致设备故障。通常在指定的受控电路中运行压敏电阻来确定该值，或者在诸如最大钳位电压（类电流下）等电气值下确定。
• 电流 – 浪涌： 给定波形的指定峰值脉冲持续时间内的最大峰值电流，可在不引起设备故障的情况下应用。虽然压敏电阻可以应对这种浪涌，但大多数制造商都认为在建议更换压敏电阻之前，浪涌电流只能出现一次。
• 能量： 在事件发生时，压敏电阻在给定波形的指定峰值脉冲持续时间内可消耗的最大焦耳（或瓦秒）。通常在指定的受控电路和电气值下运行压敏电阻来确定该值。压敏电阻只能对此最大量级做出一次反应，做出反应后建议进行更换。尽管压敏电阻在事件发生后可能仍可以工作，但可能无法正常工作。
• 最大交流电压： 该值为可以在压敏电阻上持续施加的最大RMS线电压。选值可稍高于实际的RMS线电压。正弦波的峰值电压不应与最小压敏电压重叠，这会降低压敏电阻的寿命。值得庆幸的是，这是制造商在其规格范围内进行计算的常规做法。
• 最大直流电压： 该值为可以在压敏电阻上持续施加的最大直流线电压。选值可稍高于实际的直流线电压，但制造商很多时候会在其规格范围内包含这个余量。

怎样选择正确的压敏电阻

1. 确定能够使压敏电阻正常工作的连续工作电压 ，并选择最大交流或直流电压等于或稍高于此连续工作电压的压敏电阻。由于供电线通常具有电压变化容差，因此最大额定电压比实际线电压高10-15%很常见。通常情况下，压敏电阻已经将该比率计入其电压值。当极低的漏电流比可能的最低保护电平更重要时，可以考虑使用具有更高工作电压的压敏电阻。
2. 确定事件发生时由压敏电阻吸收的能量 。虽然这有时可能是未知值，但是可以在发生环境和规格书规范界定的事件期间使用压敏电阻的所有绝对最大负载值来确定该值。重要的是选择具有能量耗散额定值的压敏电阻，其最小值等于或在理想情况下超过电路可能产生事件所需的能量耗散。压敏电阻只能对其额定的最高能量水平做出一次反应，做出反应后建议进行更换。尽管压敏电阻在事件发生后可能仍可以工作，但可能无法正常工作。
3. 计算穿过压敏电阻的峰值瞬态电流 ，通常称为浪涌电流。浪涌电流是指在指定的持续时间和波形内可以通过压敏电阻的最大电流。重要的是选择具有浪涌电流额定值的压敏电阻，该值等于或在理想情况下超过电路可能产生的事件所需的电流额定值以确保正常工作。虽然压敏电阻可以应对这种浪涌，但大多数制造商都认为在建议更换压敏电阻之前，浪涌电流只能出现一次。
4. 确定功率耗散要求。 重要的是选择额定功率等于或在理想情况下超过电路可能产生的事件所需的功率容量的压敏电阻。功率、浪涌电流和能量等级远高于事件预期值很常见。这些降额因数通常比所需的常见应力容差大至少50倍。如果不确定事件的因素，选择功率、浪涌电流和能量等级更高的设备会更安全。
5. 选择提供所需压敏电压最大值的模型 ，有时称为钳位电压（最大值）。必须根据电路输入或输出在事件期间可承载的近似最大电压值来选择钳位电压。您必须确保您的电路能够承载此电压。简而言之，该电压大概是电路下线可承载的最高电压。然而，当电压接近于最小压敏电压时，压敏电阻开始传导，可能会在达到实际钳位电压之前产生一些较微弱的钳制效应。

更多有关电路保护的技术信息, 请查看：

• 为交流线路应用选择TVS/MOV值
• 电路保护 – 被动元器件
• 电路保护器件的差异
• PTC可复式保险丝，真的能替代保险丝吗？
• 防止浪涌电流的元器件

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作者：Richard A. Quinnell

关键词: 传感器, 方案

具有健康和健身追踪功能的可穿戴设备日渐流行。这类应用往往以加速度计作为主要运动传感器，但是加速度计无法提供垂直运动的准确估算，而这种估算对于准确计算爬坡消耗的卡路里等参数至关重要。通过添加精密大气压力传感器，可显著提高垂直运动测量精度，同时也有助于其他传感器的信息验证。

目前市面上的大气压力传感器灵敏度足以检测低至13cm的高度变化，并且体积小巧、坚固耐用且功耗低，适用于可穿戴式设计。

本文探讨了这类器件在健身追踪器中的作用，并介绍TE Connectivity Measurement Specialties推出的一款适用于此应用的气压传感器，并具体说明了应用方法。

高度计在健身追踪器中的作用

健身追踪产品的核心元件是用于惯性运动检测的加速度计等器件，藉此计算步数、行走距离和消耗的卡路里等参数（图1）。不过，垂直运动测量对于这类传感器是一项挑战。就加速度曲线而言，爬楼梯等活动与普通行走截然不同，因而很容易实现可靠检测，但是沿斜坡行走与在水平地面行走的差异较小，因此仅凭加速度很难区分。然而，这两种情况下所做的功（和所消耗的卡路里）却大相径庭。

对于健身追踪精度的一些消费者研究表明，某些早期设备可能低估了30%。为了更准确地确定健身参数，健身追踪器需要一种简单可靠的方法来精确测量垂直运动。

大气压力传感器（即气压计）可以提供解决方案。在所有其他因素均相同的情况下，大气压取决于海拔高度，两者的变化关系称为“垂直气压梯度”，即大气压随高度变化而变化的数值。因此使用气压公式来求解高度，即可将大气压力（或气压）传感器用作气压高度计：

其中：

• P是当前压力
• P0是海平面的压力 (h=0)
• 高度 (h) 以m为单位

该公式包含大气成分和15℃的环境温度等多个假定，因此如需准确计算绝对高度，就需要更多信息。但即便压力条件不同，该公式仍然适用，并且受温度条件影响很小。因此，通过比较两次连续测量的压力值，即可由公式1轻松求得精确的高度变化。

海平面的标准大气压约为1013mbar，即1mbar压差对应约8m垂直变化。因此使用公式1时，压力测量精度必须相当高才能检测人体的垂直运动。所幸，目前市面上已有紧凑型压力传感器足以满足该精度要求。

TE Connectivity Measurement Specialties的MS5840-02BA微机电系统 (MEMS) 压力传感器正是这类大气压力传感器之一（图2）。该器件可对大气压和环境温度进行24位测量，从而在高度计应用中实现13cm的有效高度分辨率——该分辨率足以检测一级台阶的高度变化。

MS5840集成了MEMS压力传感器与定制ASIC，后者可将模拟传感器信号数字化，并通过I²C总线实现主机与设备的连接，因此无需其他元器件即可将该器件添加至健身追踪器设计。该模块采用紧凑型表面贴装，基底面为3.3 x 3.3mm，高度为1.7mm，小巧的体积适用于可穿戴设备。坚固耐用的盖子通过接地来加强ESD保护以防止人为产生的静电。

这类高精度模块允许设计人员对传感器原始读数进行一阶和二阶补偿，从而消除器件和温度变化产生的误差。所有器件都分别在两个温度和两个压力下进行工厂校准，以产生校准参数用于一阶计算：

• 参考温度 – TREF
• 参考温度下的压力灵敏度 – SENST1
• 压力灵敏度的温度系数 – TCS
• 参考温度下的压力补偿 – OFFT1
• 压力补偿的温度系数 – TCO
• 温度的温度系数 – TEMPSENS

进行一阶补偿时，设计人员必须检索器件的校准参数，获取传感器未经补偿的24位数字压力 (D1) 值和温度 (D2) 值读数。然后，计算实际温度与参考温度的差值 (dT = D2 – T_REF)，并将其用于修正数字温度读数 (TEMP = 2000 + dT x TEMPSENS)，以获得精度为0.01℃的摄氏度 (℃) (2000 = 20.00℃)。

接下来，设计人员必须使用经修正的温度来修正压力读数，方法是先计算当前温度下的压力补偿 (OFF = OFF_T1 + TCO x dT) 和压力灵敏度 (SENS = SENS_T1 + TCS x dT)。然后计算经温度补偿的压力P = ((D1 x SENS/2²¹) – OFF)/2¹⁵，以mbar为单位，精度为0.01mbar (110002 = 1100.02mbar)。

经一阶修正的读数在环境温度较高时有效。但是在较低的温度下，传感器需要进行二阶修正，如图3所示。对于低温（中间方框，＞10℃）和超低温（左方框，≤10℃），使用一阶修正的结果计算温度和压力的方法有所不同。

结果表明，在较宽温度范围内，经过一阶和二阶修正的压力和温度读数精度都很高，如图4所示。

除了体积小、精度高以外，MS5840还具有一些其他特性使其特别适合可穿戴式应用。该器件的工作电压为1.5V至3.6V，因而可兼容1.8V和3.3V的逻辑设计。此外，这款低功耗器件的待机电流不足0.1µA。

工作电流将取决于传感器读数的频率和分辨率。内置模数转换器 (ADC) 采用三角积分转换方法，过采样率 (OSR) 可选。因此，开发人员能够实现转换速度与功耗之间的最佳平衡。转换过程中峰值电流典型值为1.25mA，但OSR设置为最大值 (8192) 时，若每秒读取一个样本，则转换时间仅为17ms，平均电流为20µA。OSR设置为最小值 (256) 时，转换时间仅为0.54ms，平均电流为0.63µA。

此外，传感器分辨率也受OSR设置影响，因而也应纳入权衡范围。在最大OSR下，模块分辨率为0.016mbar，对应高度差不足13cm。在最小OSR (25) 下，分辨率为0.11mbar，对应高度差约为90cm。

压力传感器设计考虑因素

使用压力传感器作为气压高度计时，开发人员需要注意以下系统设计考虑因素。本质上，MEMS压力传感器是将一块硅薄片盖在填充参考压力气体（或真空）的腔室上。薄片上表面通过传感器封装的开口或端口连通大气压。腔室和环境之间的气压差使薄片弯曲变形而产生机械应力，从而产生成正比的电信号。MS5840的内置ASIC可检测该信号并将其数字化。

由于传感器需连通环境气压，因此可穿戴设备设计必须为传感器端口提供连通外部空气的畅通路径。不过，这一路径不仅允许空气进入器件，同时也会让水和灰尘由此进入。因此，在可穿戴设备设计中，开发人员既要注意传感器放置的位置以免阻塞空气路径，还须考虑设备外壳设计以实现最佳防水性能。

MS5840的设计可有效解决这一问题。该模块采用分层结构来保护传感器（图5）。最底层是氧化铝基板，SMT焊盘可为组件提供机械稳定性。MEMS传感器堆叠在ASIC上并装于基板之上，ASIC可提供信号调节、数字化转换和I²C接口。电子组件与不锈钢盖之间使用不透明凝胶填充，不锈钢盖用作器件连通大气的端口。

凝胶的用途有多种，主要功能是将大气压传递到传感器表面。凝胶既可作为传感器与空气的机械耦合，又能防止灰尘和湿气进入电子器件。由于凝胶不透明，因此还可提供额外的光保护，以避免由光子引起的电子噪声。盖中包含凝胶可增强模块刚性，搭配接地选项即可提高模块的ESD抗扰度。

开发人员可以利用这种分层结构，在传感器盖上粘附O形圈，将传感器置于可穿戴设备外壳内并使不锈钢端口与外壳的空气开口齐平，以提高可穿戴设备的防水性能。完成组装后，设备外壳和传感器盖之间的O形圈可密封外壳，防止灰尘和水侵入设备，而凝胶则可保护传感器。

将气压高度计整合至健身应用时，需要注意的另一个考虑因素是潜在的测量误差来源：风。流动空气比静止空气的压力小，因此如果测量过程中突然刮起一阵大风，则会导致传感器检测的气压瞬间下降。气压信号中的这种“噪声”可能会造成高度陡变的假象。然而，健身监测设备开发人员只需对照加速度计读数来验证高度变化的表征，即可消除这类误差。如果没有相应的加速度，则高度“陡升”现象完全可以忽略。

对照消除法对于加速度同样适用。在崎岖路面骑行产生的加速度曲线可能与爬楼梯类似。但是，如果爬楼梯的加速度表征没有引起相应的高度变化，则系统也可考虑将加速度计读数忽略为环境噪声。

总结

随着可穿戴式健身追踪器的普及，设备健康数据的测量精度逐渐成为产品差异化要素。添加基于压力的气压高度计可从多方面提高可穿戴式健身设备的精度，尤其是消耗的卡路里方面。此外，这类传感器还有助于其他传感器的信息验证。不过，如需适用于可穿戴式健身监测设备，压力传感器既要具有高精度，还须采用超小型封装并能以低功耗运行。如上所述，TE Connectivity的MS5840-02BA具有高精度、小尺寸和低功耗的特性，完全满足下一代可穿戴式健身追踪器的需求。

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在微控制器（MCU）的选型中，功耗是十分关键的一个指标，特别是对于那些使用电池供电的物联网、便携式等应用，低功耗表现更是尤为关键。因此，在各个MCU芯片厂商的产品规划图中，低功耗MCU都是一个重要的系列。

针对低功耗应用，Microchip Technology推出了全新系列PIC^®超低功耗（XLP）MCU——PIC24F GU/GL系列，这些16位MCU的休眠电流低至数百nA，同时可保留完整的RAM内容，非常适用于便携式应用，延长用户的电池寿命。

PIC24F GU/GL系列MCU实现超低功耗的一个重要原因是：该系列产品集成了独立于内核的低功耗外设（CIP），无需中央处理单元（CPU）即可工作，其中尤以被称为自主动画LCD的CIP最为抢眼。

很多具有显示功能的应用都涉及一些常见的动画，如周期性地交替显示和闪烁像素来指示操作。通过使用具有自主动画功能的集成LCD驱动，开发人员可以将这些简单的动画例程中大部分工作从CPU中卸载出来，即使在CPU打盹、空闲或休眠模式下也能实现动画显示，以此实现最佳的节能效果。

此外，PIC24F GU/GL系列MCU在安全性方面也有很独到的设计。这些MCU提供了硬件安全功能和安全保护方案，从而简化了智能、安全、保护和互连应用的设计。它们具有存储器保护方案，例如Flash ICSP™写禁止功能——该功能允许将Flash配置为一次性可编程 (OTP) 存储器，从而禁止通过外部编程器/调试器进行任何进一步修改——以及有助于对存储器进行分段并实现访问限制的CodeGuard™ Flash安全性。上述这些安全功能与 CryptoAuthentication™ 芯片结合，使用户能够在应用中实现更可靠的安全性。

该系列MCU提供高达+125°C的扩展工作温度，能够满足应用环境恶劣的工业、汽车等应用的要求。同时，由于产品具有高水平的模拟集成度，因而有利于简化传感器接口和模拟测量电路，降低了整个系统的BoM成本。

有关PIC24F GU/GL系列MCU的特性优势，归纳如下：

• 具有核心独立动画的段码式LCD驱动器，可增加低成本和低功耗显示

• 对XLP运行的需求不断增长
  • 休眠电流低至400nA，并具有完整的RAM保留
  • 掉电模式下的内核独立运行——LCD动画、MCCP、CLC、具有阈值比较的ADC等

• 适用于有显示或无显示应用的高性价比MCU
  • 集成模拟量，包括用于传感器接口的10/12位ADC (400ksps) 比较器
  • 低功耗蓝牙4.2物联网应用

• 更加关注稳健性和保护功能
  • CodeGuard保护和OTP功能可限制访问
  • 在极端工作条件下（最高+125°C）具有可靠性，符合工业和汽车应用的AEC-Q100 1级标准

综上所述，PIC24F GU/GL系列MCU具有超低功耗特性，且具有突出的安全特性，能够满足恶劣条件下的应用要求，同时高集成度还有利于实现BoM优化，是一款综合表现十分优秀的MCU产品。

→ 希望了解更多有关PIC24F GU/GL系列MCU的技术信息，请点击这里>>

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关键词: 以太网, 电源管理

问：浅谈PoE 以太网供电

以太网是有线网，而发送器和传感器通常需要电源，这样问题就来了：为何不使用以太网电缆同时进行数据传输和供电？今天我们就来聊聊有关以太网供电的几个问题。

什么是PoE？

PoE在楼宇自动化，监控或交通信号灯摄像头等应用中有着广泛的应用。

 为什么要通过PoE供电？

PoE在楼宇自动化，监控或交通信号灯摄像头等应用中有着广泛的应用。

PoE 主要的优势包括：

• PoE 不需增加电源线：可以降低硬件成本。
• 安全性高：电压比较低，所以系统比较安全。供电设备在全功率供电前，会发出一个 10V 的测试电流。只有在受电设备上检测到 25Ω电阻时，才会施加全电压。这样可以防止连接设备受损。
• 安装方便：使用Cat-5双绞线连接，供电设备（PSE）和受电设备（PD）之间最长距离可达100m。因此PoE非常适合在不宜安装电源插座的地方，如墙上，屋顶，天花板等地方应用。
• 即插即用：这意味着可以在网络继续运行时进行更改。当需要更改时，更换以太网连接设备和交换电缆相对容易。只需要技术人员将新设备的线缆插入网络交换机即可。

PoE 供电标准：

PoE一直在发展，从以太网写IEEE 802.3af发展到IEEE 802.3bt，通过PoE提供的功率越来越高。

 PoE如何实现供电？

PoE 主要由两部分组成：供电设备(PSE) 和受电设备（PD），通过Cat-5双绞线传输数据以及供电。

• 供电设备PSE:

PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者。常见PSE包括以太网路交换器、路由器等。

• 受电设备PD ：

PD设备是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备。常见PD包括IP电话、网络安全摄像机。

• 电缆线 ：

POE系统使用Cat-5双绞线，可以给终端提供44V到57V直流电压，最长距离可达100m。

PoE握手过程是怎样的？

PSE负责像电源一样供电，而PD接收并使用功率（负载）。为了安全考虑，PSE连接PD时并不是直接连接，而是有个“握手”过程。具体如下：

1）检测：PSE在全功率供电前，会发出一个10V的测试电流，来检测PD的存在。只有在PD上检测到25Ω电阻时，才会施加全电压。这样可以防止连接设备受损。

2）分类：PSE检测到PD之后，会先开始分类；即确定连接设备的电源要求。PSE将施加规定电压并测量产生的电流。然后根据电流电平将PD分配至一个功率等级。

3）供电：如果一切正常，将供应全部电压和电流。一旦为PD供电，PD就要负责将–48 V的PoE电压转换为适合终端设备的电源电压。

PoE有哪些应用实例和产品？

我们以ADI提供的解决方案为例：

•  PSE侧：

方案中包括的核心芯片有隔离式控制器LTC4271代表非隔离侧PSE主机的数字接口；隔离式控制器LTC4290在隔离侧提供以太网接口——这两个组件通过简单的以太网变送器连接。

• 电缆：

Cat-5线缆是由四对双绞线组成，用来连接PSE和PD设备。

• PD 侧：

一旦为PD供电，PD就要负责将–48 V的PoE电压转换为适合终端设备的电源电压。理想二极管电桥控制器LT4321与PD控制器LT4295配合，可以全桥配置控制四个MOSFET。

更多关于以太网和以太网供电的技术信息, 请查看：

• 为什么要采用以太网供电（PoE）
• 基于10BASE-T1L工业以太网的过程自动化工厂应用
• 常用的PLC通信协议
• 10BASE-T1L的优势在哪里？
• 利用性能稳定的确定性工业以太网替代标准以太网

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关键词: 电容，规格

问：陶瓷电容的温度系数额定值

陶瓷电容可根据所用的电介质大致分为4种类別。3类和4类电容并未广泛使用，也没有标准化，因此本文只比较1类和2类电容的差异。

1类电容具有以下特性：

• 线性温度系数：其电容量随温度呈线性变化。
• 无电压依赖性：其电容量不依赖于所施加的电压。
• 无老化：由于制造中使用的是顺电位材料，因此它们不会经历严重的老化过程。
• 无电力损耗：与2类电容相比，1类电容的电损耗要低得多。
• 用于高Q滤波器：鉴于上述特性，此类电容常被用于谐振电路、PLL和振荡器等应用中。
• 高稳定性和精确度：根据EIA RS-198标准，它们会使用3位数符号来表示其使用的电介质，如C0G。

1类电容的规格如上所示，可在+25℃至+85℃的固定温度范围内工作。

2类电容具有以下特性：

• 非线性温度系数：其电容量随温度呈非线性变化。
• 高电压依赖性：其电容量高度依赖于所施加的电压。
• 存在老化：由于制造中使用的是铁电材料，因此它们会经历严重的老化过程。
• 高电损耗：与1类电容相比，电损耗显著升高。
• 高介电常数：由于介电常数较高，因此它们具有较高的体积效率。
• 高电容值：由于介电常数较高，可以在诸如0201、0402、0603等小型器件外壳中实现大电容值。
• 用于滤波应用：鉴于上述特性，它们常被用于旁路、耦合、解耦等应用中。
• 低稳定性和精确度： 根据EIA RS-198标准，它们会使用3位数符号来表示其使用的电介质，如X7R。

因此，根据上表，当厂商表示这是X7R电容时，这意味着该电容的工作温度范围为- 55 ℃至+125 ℃，并且电容量的变化不会超过其标称值的±15%。

同样，当厂商表示这是Y5V电容时，这意味着该电容的工作温度范围为-30℃到+85℃，并且电容量不会上升至其标称值的22%以上，也不会减少至其标称值的82%以下。

更多电容相关的技术信息, 请查看：

• 电子元器件选型基础-电容
• 电容的测量
• 测试技巧 | 超级电容的电容值应该如何测量？
• 如何选择ESD保护电容
• 寻找替换的电解电容

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作者： Eric J. Halvorson

未来的工厂与过去的工厂相比将是另一番非常不同的景象。工业物联网 (IIoT) 已使工厂经营者能够监控制造过程的方方面面。小到电机上的传感器，大到工厂车间的地面自动化车辆，所有的一切都实现了连接。这让机器对机器 (M2M) 通信、机器学习以及更多先进的技术得以实现。所有这些都能够显著减少浪费，实现更低成本，同时更环保、更安全、更高效。

预见性维护和基于状态的监控

今天，能够看到一条生产线的健康状况是非常必要的。由于具有对振动、温度、噪音、电压和电流以及生产线生产力水平的监测能力，工厂操作人员能在生产线被迫停工前就下令进行维护。这样，既不会出现等到生产线停工后才进行维护的问题，也不会存在进行不必要的、预先安排的维护的问题。采用基于状态的监测技术，可以监测到不符合规格的地方，操作人员可以在必要时进行预防性维护，避免出现问题。

STMicroelectronics就设计了这样一种解决方案来实现这种功能。STEVAL-BFA001V1B专门针对状态监测和预见性维护而设计。通过工业传感器板、ST-Link/V2编程和调试工具的适配器以及外设连接套件，用户能够利用32位 Arm Coretex-M4内核和环境传感器阵列来监测各种参数，以确定机器的健康状况。该套件能够存储数据，并通过IO-Link和M12连接器进行通信。

更智能化，更具连接性

M2M通信已成为智慧工厂的关键，其作用是通过生产流程的每一步来收集每个数据点的数据，并将收集到的数据发送至云端或边缘计算软件。这种能力可以确保对整个生产流程进行实时分析，以达到最高效率并减少浪费。

通过使用如Modbus、Profibus，甚至IO-Link等工业通信协议，可以实现基于RJ485、工业以太网，甚至WiFi或蓝牙设备的M2M通信，以支持OPC统一架构或基于IPv6的网络基础设施。

安全

ST也考虑到了安全问题。如果不考虑劳动力或制造资产的安全，任何制造过程都是不完整的。为了实现这一目标，ST提供的IC具有扩展电压范围和性能，符合IEC 61508规范，也符合系统级SIL（安全完整性等级）要求。

30多年来，ST Microelectronics一直在为危险的工业应用设计产品。通过未来工厂，ST能助您一臂之力，让您的工厂比以往任何时候都更安全、更快速、更高效、更互联。

本文作者

Eric Halvorson，Digi-Key战略计划合作营销经理，加入Digi-Key已经超过 12 年。Eric专注于工业自动化市场。他于2011年毕业于北国社区和技术学院，获得电子技术和自动化系统应用科学副学士学位。直到最近，Eric一直担任机电产品经理，主要负责开关产品。Eric业余时间喜欢木工活，修理东西，经常忙得废寝忘食。

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作者：Alan Yang
关键词：汽车，方案，开发工具

车载雷达是智能驾驶汽车的核心赋能技术之一。本文比较了智能汽车三种周围环境的检测方式，然后和大家分享TOF车载激光雷达系统的设计思路，希望可以抛砖引玉。

自动驾驶汽车检测周边环境的三种方式

自动驾驶车辆需要有效地感知周边环境，一般会利用视觉系统、毫米波雷达和激光雷达等方式获取环境信息。每种检测方式都有其优点和缺点。

一个好的车载雷达系统，往往会采用多种类型的传感器，取长补短，达到符合实际应用的要求。

TOF车载激光雷达系统的设计思路

要实现激光雷达系统，可以有多种选择。例如扫描与闪光、直接飞行时间（ToF）与波形数字化等。下面我们以飞行时间（ToF）方式为例进行说明。

飞行时间ToF的工作原理，就是一束激光从激光发射器出发达到目标检测物，然后反射回来，被激光接收器捕获到。我们可以计算出这束激光发射和接受的时间延迟Δt，即激光飞行的时间。

如需了解更多关于ToF的技术信息, 可以参考以下这篇技术文章——《3D ToF很火，两种技术方案孰优孰劣？最详尽的分析来了》。

设计一个TOF车载激光雷达系统，首先要确定系统需要探测的最小目标、该目标的反射率，以及该目标的距离、视场角。上述这些因素会定义系统的角分辨率。同时，在该基础上计算最小信噪比（SNR），这也是后续软件判定检测对象真/假的重要检测标准。

1. 检测距离

我们以自动驾驶汽车，防撞的应用来举例。

• 最小目标为：小轿车4.8m × 1.8 m的外形尺寸。
• 目标的反射率：取决于物体本身的性质（表面状况）。这里不详细讨论，假设目标可以很好的反射。

以汽车100公里/小时的速度来计算，不仅考虑以100 km/h速度行驶的车辆，还要考虑以相同速度反向行驶的另一辆车辆。因此，雷达系统需要能够检测到200公里/小时的物体，也就是每秒相对运动至少50m。

当然，还要考虑，如非线性速度、停车距离、规避动作等复杂情况。所以一般说来，高速应用需要激光雷达系统检测更远的距离。

2. 视场角（FOV）

对于不同的应用，不同的环境，视场角的选择也不一样。

如上图：对于自动驾驶车辆和自动地面车辆的对象检测和防撞等应用，可以使用16像素FOV。在大客车应用中，可以用4×4网格矩阵，以检测系统周围的物体，作为车辆的安全器件。

3. 角度分辨率

确定FOV之后, 我们可以计算相应的分辨率。FOV可以分为垂直FOV（VFOV）和水平FOV（HFOV）。

当激光二极管阵列选定之后，比如下图，一行16个激光二极管组成一个阵列，每个像素尺寸2mm × 0.8mm，20mm焦距的镜头。

于是，可以利用三角函数计算每个像素对应的VFOV与HFOV。

因此，根据三角函数我们可以得出每个像素，VFOV=5.7°，HFOV=2.292°。有了VFOV/HFOV, 我们就可以得知在某一特定距离，实物尺寸与像素的关系。

换一个场景，假设FOV=1°，即1°角度分辨率，在200 m距离时，一个像素点对应于2 × Tan（0.5°）× 200m = 3.5m长的物体。即1°角分辨率会转换成每侧3.5米像素。对于4.8m×1.8 m小轿车来说，很难检测。

当FOV=0.1°，即0.1°角度分辨率，在200 m距离时，一个像素点对应于2 × Tan（0.05°）×200m = 0.35m长的物体。

对于一个4.8m × 1.8m长的小轿车，在200m距离时，至少可以有5个像素宽度的成像。

精细的角度分辨率使车载雷达系统能够从单一对象接收多个像素的返回信号。因此，在这个系统下，甚至有可能区分汽车和摩托车。

4. 距离精度与最小信噪比（SNR）

距离（或深度）、精度都与ADC采样速率相关。距离精度允许系统准确地知道一个物体有多远。对于移动的应用来说，非常重要。

假设ADC采样周期Δt为1ns采样时段，我们可以计算距离d=(c×Δt)/2 = 15cm。其中，c是光速，即使用1 GSPS ADC 的距离精度可达到15cm。

可以采用更复杂的技术（例如过采样插值）来改善范围测量精度。相关方案，可参考《ADI应用笔记：过采样插值DAC》，这里就不扩展介绍了。

据估计，大约可以将范围测量精度提升SNR的平方根。匹配滤波器是用于处理数据的性能最高的算法之一，它可以在插入之后最大化SNR，以得出最高的范围测量精度。

激光雷达系统拓扑结构

以ADI的方案为例，激光雷达系统的拓扑结构如下：

如需为激光雷达系统选择所需的物料，Digi-Key网站上丰富的3D ToF产品和解决方案，会让研发工作更为快捷。

• TOF图像传感器

可以在Digi-Key网站中的“图像传感器、镜头、摄像头”产品分类下查找，在“类型栏”中，请选择3D 飞行时间。Digi-Key TOF图像传感器相关页面，点击这里访问>>>

• CCD TOF信号处理器

比如，ADI ADDI9036带可编程时序和V驱动器的CCD TOF信号处理器就是不错的产品。

在Digi-Key网站中，你可以找到以下两款ADDI9036开发板。

• 激光二极管驱动器

这个开关和驱动器的代表产品包括ADI的ADP3634, 这是一颗高速、双通道、4A MOSFET驱动器。

最后的话

最后要特别提醒大家：不是所有的应用程序都需要0.1°的角度分辨率和200米的检测范围。这就需要开发者从实际应用要求出发，明确关键参数，如检测距离、FOV、精度等；在此基础上，选择合适的电子元器件，平衡性能和成本，提高设计成功的可能性。

更多有关车载雷达的文章，请点击以下链接，也欢迎大家在文未留言讨论。

• 3D ToF很火，两种技术方案孰优孰劣？最详尽的分析来了~
• ADI公司的3D飞行时间(ToF)技术
• Analog Devices LIDAR 解决方案：精确的深度感知检测
• 自动驾驶车辆感知检测
• 自动驾驶系统设计中的LIDAR：用于目标分类？还是目标检测？
• 无人驾驶车辆传感器

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本期Digi-Key Daily向大家推介两款产品——TDK的TPS4000系列三相4080W工业电源和Molex接线片NTC温度传感器电缆组件。

产品一：TDK TPS4000系列三相4080W工业电源

在工业应用中，大功率、高效率的工业电源必不可少。TDK-Lambda的TPS4000系列工业电源就是其中一款优秀的产品。

TPS4000系列电源可在三角形（Delta）或星形（Wye）350V_AC到528V_AC三相输入的宽电压范围内工作，提供最高4080W的输出功率——包括24V / 70A输出功率或48V / 83.3A输出功率——运行效率高达92%。为了驱动更大的负载，用户可以将多达8个电源并联使用，而且其内部的OR-ing FET允许冗余运行。

该工业电源还具有隔离交流故障、直流良好、断相信号、远程开/关控制、远程感应和12 V备用电源等特性，还配备有一个PMBus接口，用于远程编程和参数监控。这些优势特性，使得TPS4000系列电源成为了测试测量设备、半导体制造、打印机、激光和射频功率放大器等工业应用的理想选择。

了解TDK TPS4000系列三相 4080W工业电源的更多信息，请看以下视频：

产品二：Molex接线片温度传感器电缆组件

NTC是一种应用极为广泛的温度传感器，而想要在多样化的应用场景中完成精确的温度感测，配套的电缆组件必不可少。

Molex公司推出的接线片NTC温度传感器电缆组件有多种β值、电阻、电缆长度和温度范围的产品可选，可安装在产品的任何位置，以实现精确的温度传感，为设计带来更大的灵活性。不同β值范围的电缆长度，允许开发者在不易到达的位置进行温度感应；而1.25毫米螺距微型锁加连接器，可确保可靠和方便的连接。

该电缆组件还包括一个环形端子散热器，用于安全的表面安装和热检测；该产品采用导热环氧灌封，允许在-40℃至105℃的温度范围内连续工作，适用于自动售货机、自动取款机、冰箱、电烤箱和暖通空调系统等诸多应用。

了解Molex接线片温度传感器电缆组件更多信息，请看以下视频：

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关键词：连接器，工作原理

问：Harwin Datamate应力消除夹/钉

一些Harwin Datamate连接器（如M80-8661022）会随附一套类似长订书钉或夹子的东西。大家对于这些夹子的用途可能并不太了解。那么，这些夹子究竟是做什么用的？又该如何使用呢？本文为你做一个介绍。

这些夹子是板装连接器的应力消除装置，通过减轻将器件从连接器上拔出时及其通孔引脚上所承受的压力，可确保延长连接器的使用寿命，并减少将连接器从电路板上拔出的次数。

这些夹子采用通孔安装，可永久性夹持连接器。Harwin提供的文档中说明了这些夹子的使用方法，更详细的信息可参阅——使用Datamate应力消除夹M80-0030006 PTM。

更多关于连接器的技术信息, 请查看：

• 通电连接器和紧固件的极性术语
• 使用工程师PA-09压接工具压接JST PH连接器
• 圆形连接器的术语说明
• 连接器与连接器外壳的比较
• RC应用中常见的JST连接器

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关键词：隔离，测试

问：交流/直流转换器耐压绝缘测试

隔离电压是选择合适的交流/直流（AC/DC）转换器时需要重点考虑的因素，因此该参数的数值通常都会列在Digi-Key网站上的筛选框中，如下图所示。

隔离电压也称为输入输出隔离电压，用来表示可加载在转换器两端并同时保持输入和输出之间的电隔离的最大电压。因此，隔离电压在一定程度上可被视为绝缘层耐受数秒高瞬态电压的能力。

耐压绝缘测试是一种用于测量AC/DC转换器的隔离电压的常用方法。举例而言，LPS100-M系列的Artesyn嵌入式电源的规格书中所列的隔离电压（输入-输出）为4000VAC。

可以根据下图设置耐压绝缘测试系统：

简而言之，耐压绝缘测试的执行过程大致为：从电源输入线路向产品底架或次级输出加载高电压，然后测量通过转换器绝缘层的产生的漏电流。

更多关于测试的技术信息, 请查看：

• 用于性能测试的RF测试电缆
• 如何测试光耦是否正常工作？
• 阻值太低,无法测量?来试试开尔文测试吧
• 拉力测试及拉力测试仪
• LED测试时出现电应力损伤的类型和根因

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