ISOFACE提供智能化保護

電隔離8通道高邊開(kāi)關(guān)和數字輸入IC

　　ISOFACE™產(chǎn)品家族能以智能化方式解決大多數工業(yè)自動(dòng)化系統所面臨的共同挑戰，譬如，可編程邏輯控制器（PLC）、驅動(dòng)器、工業(yè)PC、機器人系統、分布式控制系統、樓宇控制系統、普通控制設備和傳感器輸入模組。其共同的挑戰是需要在3.3V或5V側和24V工廠(chǎng)車(chē)間環(huán)境之間實(shí)現可靠的隔離。3.3V或5V側通常被稱(chēng)為系統的“控制側”，這是單片機或控制ASIC所處的位置，24V工廠(chǎng)車(chē)間環(huán)境通常被稱(chēng)為“過(guò)程側”。

　　要求進(jìn)行這種隔離有兩個(gè)主要原因：

　　1）在控制側和過(guò)程側產(chǎn)生的差動(dòng)電流，會(huì )導致接地電位的巨大變化。低壓控制側尤其需要得到保護，免受這種接地電位變化的影響。這種保護只能通過(guò)控制側與過(guò)程側的電氣去耦來(lái)實(shí)現。這種去耦是可以實(shí)現的，因為在工業(yè)控制系統中，從系統一側傳輸到另一側，即穿過(guò)隔離屏障的只有信息。具體實(shí)現的方法就是隔離。

　　2）逆變器，比如用于控制電機速度的，是過(guò)程側高能擾動(dòng)的常見(jiàn)來(lái)源，會(huì )引起浪涌和快速瞬變以及高頻噪聲。如果沒(méi)有隔離，這種擾動(dòng)就會(huì )直接影響單片機或控制ASIC。在過(guò)程側，就電氣特性而言，隔離部分等效于高阻抗的電路元件。由此產(chǎn)生的綜合效果是，隔離可以保護控制側，使其免受過(guò)程側逆變器產(chǎn)生的能量加載干擾的影響。

電隔離的智能化集成

　　8通道高邊開(kāi)關(guān)和8通道數字輸入IC兩個(gè)ISOFACE™產(chǎn)品系列都集成了額定值為500VAC的電隔離（符合EN60664-1，UL508）。這種電隔離通過(guò)電感耦合實(shí)現，它基于已在英飛凌推出的一系列工業(yè)產(chǎn)品中所使用的成熟的硅技術(shù)。ISOFACE™產(chǎn)品的電磁可靠性已經(jīng)在多種測試中得到認證，譬如，ISO11452-7和IEC61131-2。通過(guò)這種方式，可以在工業(yè)控制系統的過(guò)程側與控制側之間實(shí)現可靠的隔離。

　　與基于光耦合器的解決方案不同的是，英飛凌的硅隔離技術(shù)不會(huì )由于高溫或老化而造成電流傳輸比（“CTR”）的降低。[注：在光耦合器解決方案中，CTR是流經(jīng)LED的電流與輸出晶體管電流之比。] ISOFACE™產(chǎn)品可在-25°C到最高至+135°C的溫度范圍內持久工作。相比之下，光耦合器通?？梢哉９ぷ鞯淖罡邷囟葹?105°C。為抵消在高溫下操作光耦合器對CTR的不利影響，以及預先抵消老化效應，設計人員通常決定增加LED的偏置電流。[注：其副作用是，偏置電流增加越多，就越會(huì )加速光耦合器的老化效應。] ISOFACE™產(chǎn)品的電隔離性能不會(huì )受到這種老化效應的影響，并且其隨溫度變化的容差范圍幅度也較低。 因此，ISOFACE™產(chǎn)品的性能隨溫度以及產(chǎn)品生命周期的變化呈現更加線(xiàn)性化的變化趨勢。

保護輸出

可靠的電隔離8通道輸出開(kāi)關(guān)

　　ISO1H81xG 產(chǎn)品家族的8通道高邊開(kāi)關(guān)可驅動(dòng)任何類(lèi)型的阻性負載、感性負載或容性負載。每通道的最大額定負載電流可達1.2 A。以并聯(lián)方式組合兩個(gè)輸出通道，可允許切換2 A負載。甚至可以并聯(lián)組合四個(gè)輸出通道，這將達到4 A的最大允許負載電流。集成的感應箝位二極管可以重復吸收每輸出通道1焦耳的能量。這樣，在切換感性負載時(shí)，無(wú)需加裝額外的箝位二極管來(lái)吸收換流功率。

內置安全與診斷機制

　　芯片上每個(gè)高邊開(kāi)關(guān)的輸出電流會(huì )被監控，如果發(fā)生輸出短路，最大電流將被IC限制在一個(gè)可持續承受的水平。因此，輸出開(kāi)關(guān)可承受長(cháng)時(shí)間短路，并仍能被安全切斷。此外，每個(gè)輸出通道還內置過(guò)溫保護。當超過(guò)135°C (tjunction)的過(guò)溫保護閾值時(shí)，相應的輸出通道會(huì )被自動(dòng)切斷。冷卻后，假如單片機或控制ASIC未同時(shí)發(fā)出關(guān)斷指令，相應通道會(huì )再次自動(dòng)開(kāi)啟。

　　此外，為確保MOSFET輸出級的正確切換，會(huì )對過(guò)程側的供電電壓（Vbb）進(jìn)行監控。如果Vbb降至10.5V甚至更低，輸出會(huì )被自動(dòng)切斷。

　　對于使用沒(méi)有集成電隔離功能的開(kāi)關(guān)的解決方案而言，過(guò)程側的“地線(xiàn)缺失”會(huì )是一個(gè)不小的挑戰。在這種非隔離的設計中，開(kāi)關(guān)IC的兩側有一個(gè)共同的接地。當地線(xiàn)缺失時(shí)，該開(kāi)關(guān)IC的控制信號也會(huì )失去其接地參考點(diǎn)。這會(huì )造成開(kāi)關(guān)IC不能被切斷的情況。ISOFACE™輸出開(kāi)關(guān)集成了電隔離功能，正因如此，如果過(guò)程側發(fā)生地線(xiàn)缺失的情況，控制側仍然可以完全正常工作。因此，即便在地線(xiàn)缺失的情況下，ISOFACE™輸出開(kāi)關(guān)也能被可靠地切斷。

　　為了讓安全理念趨于完備，ISOFACE™輸出開(kāi)關(guān)還提供了一個(gè)額外的禁用引腳。這個(gè)“緊急關(guān)閉”功能讓單片機或控制ASIC可以同時(shí)關(guān)閉所有輸出。如果有多個(gè)數字輸出IC被連接到一個(gè)單片機或一個(gè)控制ASIC ，這就會(huì )是一個(gè)特別有用的功能。

　　這些功能組合到一起，加強了ISOFACE™輸出開(kāi)關(guān)的極端堅固耐用性。

　　雖然安全功能是自主發(fā)揮作用的，但用戶(hù)對這些也并非毫不知情。在過(guò)載、過(guò)溫或Vbb供電不足的情況下，系統會(huì )向單片機或控制ASIC提供診斷反饋。這尤其有助于改善系統級的維護與支持。

保護輸入

電隔離數字輸入IC

　　ISOFACE™ ISO1I81xT產(chǎn)品家族提供了一個(gè)完全集成的系統輸入接口解決方案。在過(guò)程側，IC有8個(gè)電隔離數字輸入通道，它們直接與數字傳感器和開(kāi)關(guān)連接。在控制側，IC可被無(wú)縫連接到單片機或控制ASIC。在系統兩側之間集成了可靠的500VAC電隔離功能。

　　每個(gè)IC可以連接多達8個(gè)符合IEC61131-2（類(lèi)型1/2/3）標準的數字輸入。IC的輸入作為電流池。與使用光耦合器和無(wú)源元件組合的傳統解決方案相比，其精確的電流池特性可以使每通道的功耗低至2.5倍。輸入狀態(tài)指示LED可以可選性的部署。由于較低的功耗和高水平的功能集成，系統設計人員能夠打造非常緊湊的輸入模組設計，或者在規定的外形內顯著(zhù)增加輸入通道的數量。

　　為改善該系統解決方案電磁干擾的魯棒性，8個(gè)輸入通道均配備抗干擾濾波器。對于ISO1I811T，可以使用跳線(xiàn)來(lái)選擇所有輸入通道共用的四個(gè)設置之一。ISO1I813T則更加完善，它允許針對每個(gè)通道的濾波器設置進(jìn)行相應的編程，甚至可以在工作期間重新編程。這兩種產(chǎn)品的共同點(diǎn)是，它們都具有將抗干擾濾波器過(guò)濾時(shí)間設為零的旁路模式。對于利用已有集成式抗干擾濾波器的系統ASIC的系統解決方案，旁路模式可提供針對它們的向后兼容性。

　　ISOFACETM數字輸入IC可靈活支持每個(gè)輸入通道從50 kHz到500 kHz范圍內的采樣頻率。與光耦合器所提供的約25 kHz的頻率相比，這要高出數倍之多。在ISOFACE™所支持的范圍內，系統設計人員可根據實(shí)際系統需求調整采樣頻率。對于高精度或高速電機驅動(dòng)應用而言，像裝瓶機，或譬如，對于紙張和印刷業(yè)中使用的設備而言，高采樣速度具有特別的意義。

　　唯ISO1I813T具有的一項功能是，它能夠從多個(gè)輸入IC同步捕獲輸入信號。當需要收集一臺裝有眾多傳感器的復雜機器的狀態(tài)的同步時(shí)間戳時(shí)，這具有重要的實(shí)用價(jià)值。

綜合診斷

　　ISO1I813T的診斷功能包括檢測IC輸入引腳和與其連接的傳感器或開(kāi)關(guān)之間的斷線(xiàn)情況。由于系統要求可能有很大差異，所以，斷線(xiàn)檢測的靈敏度水平是由系統設計人員來(lái)確定的。有趣的是，斷線(xiàn)檢測可以在針對特定通道的層級上被屏蔽。對于連接了一組混合輸入到同一ISO1I813T IC的應用，比如，輸入中既有支持斷線(xiàn)檢測的傳感器又有不支持斷線(xiàn)檢測的傳感器，這是一項重要的功能。當檢測到斷線(xiàn)時(shí)，單片機或控制ASIC會(huì )接收到來(lái)自ISOFACE™數字輸入IC的相應反饋。在接下來(lái)的步驟中，可以確定發(fā)生斷線(xiàn)的相應通道。

　　此外，ISO1I813T可監測過(guò)程側（Vbb）的供電電壓，并區分三種狀態(tài)。Vbb高于16V時(shí)，IC會(huì )提供指示，這是工作的正常模式。當Vbb降至16V以下，但仍高于13V時(shí)，IC將向單片機或系統ASIC發(fā)送所謂的預警信息“Vbb欠壓”。只要Vbb保持在13V以上，IC就仍能正常工作。系統設計人員可利用這個(gè)預警信息來(lái)決定改變系統的工作模式，或者安全地并以受控的方式關(guān)閉系統。如果Vbb介于13V和9V之間，IC仍然工作，但是，在過(guò)程側收集的輸入數據是無(wú)效的。這被稱(chēng)為警告范圍，會(huì )提供“Vbb失壓”的反饋。

　　ISO1I811T 和ISO1I813T均配備指示“Vbb失壓”的錯誤引腳，不過(guò)，觸發(fā)電平不同。在ISO1I811T上，當Vbb低于13V的閾值時(shí)，錯誤引腳就將啟動(dòng)。在ISO1I813T 上，錯誤引腳指示“Vbb欠壓”，即Vbb低于16V的閾值，換言之，進(jìn)入預警范圍會(huì )被標記出來(lái)。
斷線(xiàn)監控和Vbb監控均可顯著(zhù)改善工廠(chǎng)級維護支持，從而，非常有助于最大限度地縮短代價(jià)高昂的機器停機時(shí)間。

靈活的單片機和控制ASIC接口

　　數字輸出IC和數字輸入IC這兩個(gè)產(chǎn)品家族的共同特點(diǎn)是，它們都支持單片機或控制ASIC的串行接口和并行接口。8位并行接口能力使系統設計人員能夠從光耦合器解決方案升級到ISOFACE，并且無(wú)需更改控制ASIC。如果PCB面積盡可能最小是一個(gè)設計標準，那么，4線(xiàn)串行接口就是設計人員的理想選擇。自然地，當多個(gè)數字輸出IC或數字輸入IC以菊花鏈模式串聯(lián)時(shí)，也將使用串行接口。

　　數字輸出產(chǎn)品提供串行接口或并行接口。數字輸入產(chǎn)品可以由系統設計人員進(jìn)行靈活配置，以串行模式或并行模式工作。ISO1I813T在串行模式下可提供額外的安全級別，可以選擇支持對串行通信的CRC檢查。

結語(yǔ)

　　唯有英飛凌ISOFACE™產(chǎn)品能夠提供一個(gè)完整的系統解決方案：集成了a） 一個(gè)智能化單片機/控制ASIC接口，b)可靠的電隔離功能和c）強大的高邊開(kāi)關(guān)或通用的數字輸入功能。

　　由于電隔離基于硅技術(shù)，所以，與光耦合器解決方案相比，ISOFACE™產(chǎn)品可持久地在更高溫度下工作。此外，ISOFACE™產(chǎn)品能大大減少實(shí)現一個(gè)完整系統解決方案所需的組件數量。這是ISOFACE帶來(lái)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。ISOFACETM產(chǎn)品使新一代緊湊和經(jīng)濟高效的工業(yè)控制解決方案成為可能。高度的功能集成，顯著(zhù)提升了系統的穩定性和可靠性。最后但也是最重要的是， ISOFACE™產(chǎn)品的魯棒性以及內置診斷反饋機制，能大大提升系統安全性，并為系統維護提供強有力的支持。