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IO-Link和SIO模式收發器推動感測器領域工業4.0革命
[作者 意法半導體]   2019年04月03日 星期三 瀏覽人次: [1975]

今天,工業革命正在全球逐漸形成,並為製造業的智慧資訊、通訊技術和物聯網應用重新定義,德國政府稱之為:「工業4.0」。


「工業4.0」的基本原則是透過連接機器、工具和控制系統,在整個價值鏈上下游之間構建自動互控的智慧網路。經由整合通訊、感測器和機器人技術構建物聯網,工業4.0概念可提升工業製造的智慧化水平。


IO-Link是全球首個感測器和致動器標準化輸入輸出通訊技術(IEC 61131-9),因此,我們認為該標準可能被選為工業4.0標準通訊介面。


這種強大的點對點通訊採用成熟的感測器和致動器三線通訊技術,對線材沒有任何額外的要求。因此,IO-Link不是Fieldbus現場總線技術,而是現有且成熟的感測器和致動器通訊技術之升級進化。


意法半導體的L6362A雖然是專為IO-Link通訊協議和工業4.0相容而設計,但仍然可用作標準通用收發器。


圖1 : L6362A DFN 3x3 12L微型封裝
圖1 : L6362A DFN 3x3 12L微型封裝

這款產品是一個三線數位介面感測器驅動解決方案,具有高效能、電路配置密集、價格親民的特點,可滿足現代感測器和致動器的要求,包括遠端服務、標準化、功能驗證、診斷和監視。


本文將介紹L6362A,重點描述產品特性、優勢和運作方式。


產品特色

如圖2所示,L6362A單晶片整合3.3V/5V線性穩壓器;SEL腳位具有輸出電壓選擇功能;最大輸出電流12mA。穩壓器還驅動內部邏輯元件,透過邏輯元件中的透傳介面,驅動導通電阻Rds(on)極低的晶片輸出級(典型值1Ω)。藉由IN1和IN2兩個腳位的電平可配置輸出級(高低邊),同時元件外部連接OUTH和OUTL可實現推挽配置。當EN腳位置低邏輯電平時,輸出級關閉。電感在高邊配置下實現快速去磁;在推挽配置中,因為低邊開關導通,所以慢速去磁有效。輸出級高速傳輸性能使通訊速度達到COM3(230.4 kbps)水平。



圖2 : L6362A框圖
圖2 : L6362A框圖

該產品有自我保護功能:截止限流(不耗散短路保護)、過熱關斷、主動電壓鉗位、右側腳位極性接返保護、欠壓鎖保護和EN60947-5-2和IEC61000-4-5標準電湧保護。所謂的不耗散短路保護是一項創新的電路專利技術,當輸出級對地短路時可最大限度降低耗散功率;在多數情況下可避免過熱關斷干預。



圖3 : 晶片截止時的電流特性
圖3 : 晶片截止時的電流特性

圖4 : 在截止週期後過熱關斷干預
圖4 : 在截止週期後過熱關斷干預

EN(過熱關斷)和OL(限流)兩個腳位可實現診斷功能,主微控制器還可透過OL腳位檢測IO-Link喚醒請求事件。


L6362A的Rds(on)導通電阻在同級別產品中最低,僅有主要競爭產品的十分之一,這有助於降低總功率損耗,取得極低的耗散功率,可插在高度數IP模組插槽內,沒有任何過熱問題。


晶片為設計人員提供一個透傳介面,便於開發簡易經濟的通訊解決方案,高達COM3的寬傳輸速速率範圍為高頻通訊提供保證。


L6362A適用於開發IO-link應用以及通用收發器或簡單的線路驅動器,其多用途特性是該產品的一個重要優點,就像,「萬用介面」能夠勝過任何插槽。此外,與輸出級連接非常簡易,靈活性和定制程度俱佳。


該產品具有出色的全方位保護功能、高可靠性和經久的耐用性。


驅動電容和電感負載

STEVAL-IFP017V3(圖5) 是意法半導體開發的L6362A專用評估板,為客戶測試產品的工作性能提供一個簡單的應用工具。下文我們使用該評估板分析L6362A產品對大電容和大電感負載的驅動能力。



圖5 : STEVAL-IFP017V3展示板,用於測試L6362A的阻容和電感負載驅動能力。
圖5 : STEVAL-IFP017V3展示板,用於測試L6362A的阻容和電感負載驅動能力。

為阻容負載充電

在環境溫度Ta=25度(攝氏)時,使用晶片的高邊、低邊、推挽三種配置,給一個並聯100Ω電阻的25μF阻容負載充電,Vcc電壓在18V至30V之間。


當使用L6362A充電時,主要風險是截止保護功能可能會關閉輸出級。當發生這種現象時,透過並聯電阻給電容充電。為避免這種現象發生,必須使用時長小於截止時間的脈衝串來驅動輸入級(圖6)。



圖6 : 阻容充電波形
圖6 : 阻容充電波形

圖6所示是用Vcc=24V電壓和兩個3.5ms時長的脈衝訊號給L6362A所連的阻容負載充電(綠線代表Vin,紅線代表Vload,藍線代表Iload)。


如果Vcc=30V,則需要使用三個脈衝訊號才能達到相同的結果。當驅動高於25μF的電容時,必須增加脈衝訊號數量。


大電感去磁

在一個大電感反復去磁過程中,必須考慮兩個主要風險:1.電感放電產生的巨大電能可能導致元件燒損或燒毀;2.功率級結溫升高過快可能觸發器件本身的過熱關斷功能。


為測試是晶片在去磁時否正常運作,我們使用STEVAL-IFP017V3評估板驅動一個1.9H的大電感,晶片外部不連接任何續流二極體。測試條件:Vcc=24V, Tamb=25°C, 輸出電流300mA, 頻率2Hz,占空比50%,推挽配置。測試用的散熱盤為5mm2。


實驗未發現異常:封裝溫度最高值達到39.6°C。然後在Tamb=105°C下重複測試,驗證是否發生過熱關斷。



圖7 : 1.9H電感去磁;Iout=300mA, Tamb=105°C
圖7 : 1.9H電感去磁;Iout=300mA, Tamb=105°C

圖7所示是充電波形(綠線代表Vin;紅線代表Vload;藍線代表Iload)。


結論

L6362A是連接數位感測器和致動器的理想收發器,其智慧化程度足以實現兼容IO-Link通訊協議的複雜解決方案,同時還是一個簡易的通用I/O系統解決方案。


該產品具有諸多優點,例如,業內最低的Rds(on)電阻,DFN微型封裝,市場上最高的功率級,超大電容和電感驅動能力,較低的產品價格。


(本文作者Giuseppe Di Stefano, Michelangelo Marchese任職於意法半導體)


參考文獻

[1]L6362A數據手冊


[2]AN4828-(STEVAL-FP017V3 IO-Link和SIO模式L6362A收發器評估板)


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