IO-Link和SIO模式收發(fā)器推動(dòng)傳感器領(lǐng)域工業(yè)4.0革命

　　1.前言

　　今天在全球范圍內以應用智能信息、通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)重新定義制造業(yè)的工業(yè)革命正在逐漸形成，德國政府稱(chēng)之為:“工業(yè)4.0”。

　　“工業(yè)4.0”的基本原則是通過(guò)連接機器、工件和控制系統，在整個(gè)價(jià)值鏈上下游之間構建自動(dòng)互控的智能網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)整合信息通信、傳感器和機器人技術(shù)構建物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)4.0概念可提高工業(yè)制造的智能化水平。

　　在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，IO-Link是全球首個(gè)傳感器和致動(dòng)器標準化輸入輸出通信技術(shù)(IEC 61131-9)，因此，我們認為該標準可能被選為工業(yè)4.0標準通信接口。

　　這種強大的點(diǎn)對點(diǎn)通信基于成熟的傳感器和致動(dòng)器三線(xiàn)通信技術(shù)，對線(xiàn)材沒(méi)有任何額外的要求。因此，IO-Link不是Fieldbus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，而是現有的成熟的傳感器和致動(dòng)器通信技術(shù)的升級進(jìn)化。

　　意法半導體的L6362A雖然是專(zhuān)為兼容IO-Link通信協(xié)議和工業(yè)4.0專(zhuān)門(mén)設計，但是仍然可用作標準通用收發(fā)器。

　　圖1：L6362A DFN 3x3 12L微型封裝

　　這款產(chǎn)品是一個(gè)三線(xiàn)數字接口傳感器驅動(dòng)解決方案，具有高能效、尺寸緊湊、價(jià)格親民的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足現代傳感器和致動(dòng)器的全部要求：遠程服務(wù)、標準化、功能驗證、診斷和監視。

　　本文將主要介紹L6362A產(chǎn)品，重點(diǎn)描述產(chǎn)品特性、優(yōu)點(diǎn)和工作方式。

　　2.L6362A產(chǎn)品特性和優(yōu)點(diǎn)

　　產(chǎn)品特性

　　如圖2所示，L6362A單片集成3.3V/5V線(xiàn)性穩壓器;SEL引腳具有輸出電壓選擇功能;最大輸出電流12mA。穩壓器還驅動(dòng)內部邏輯單元，通過(guò)邏輯單元中的透傳接口，驅動(dòng)導通電阻Rds(on)極低的片上輸出級(典型值1Ω)。通過(guò)IN1和IN2兩個(gè)引腳的電平可以配置輸出級(高低邊)，同時(shí)器件外部連接OUTH和OUTL可實(shí)現推挽配置。當EN引腳置低邏輯電平時(shí)，輸出級關(guān)閉。電感在高邊配置下實(shí)現快速去磁;在推挽配置中，因為低邊開(kāi)關(guān)導通，所以慢速去磁有效。輸出級高速傳輸性能使通信速度達到COM3(230.4 kbps)水平。

　　圖2：L6362A框圖

　　該產(chǎn)品有自我保護功能：截止限流(不耗散短路保護)、過(guò)熱關(guān)斷、主動(dòng)電壓鉗位、右側引腳極性接返保護、欠壓鎖保護和EN60947-5-2和IEC61000-4-5標準電涌保護。所謂的不耗散短路保護是一項創(chuàng )新的電路專(zhuān)利技術(shù)，當輸出級對地短路時(shí)可最大限度降低耗散功率;在多數情況下可避免過(guò)熱關(guān)斷干預。

　　圖3：芯片截止時(shí)的電流特性

　　圖4：在截止周期后過(guò)熱關(guān)斷干預

　　EN(過(guò)熱關(guān)斷)和OL(限流)兩個(gè)引腳可實(shí)現診斷功能，主微控制器還可通過(guò)OL引腳檢測IO-Link喚醒請求事件。

　　產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

　　L6362A的Rds(on)導通電阻在同級別產(chǎn)品中最低，不足主要競爭產(chǎn)品的十分之一，這有助于降低總功率損耗，取得極低的耗散功率，可插在高度數IP模塊插槽內，沒(méi)有任何過(guò)熱問(wèn)題。

　　芯片為設計人員提供一個(gè)透傳接口，便于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易經(jīng)濟的通信解決方案，高達COM3的寬傳輸速速率范圍為高頻通信提供保證。

　　L6362A適用于開(kāi)發(fā)IO-link應用以及通用收發(fā)器或簡(jiǎn)單的線(xiàn)路驅動(dòng)器，其多用途特性是該產(chǎn)品的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，例如，“jolly”能夠勝過(guò)任何插槽。此外，與輸出級連接非常簡(jiǎn)易，靈活性和定制程度俱佳。

　　該產(chǎn)品具有出色的全方位保護功能、高可靠性和經(jīng)久的耐用性。

　　3.驅動(dòng)電容和電感負載

　　STEVAL-IFP017V3(圖5) 是意法半導體開(kāi)發(fā)的L6362A專(zhuān)用評估板，為客戶(hù)測試該產(chǎn)品的工作性能提供一個(gè)簡(jiǎn)單的應用工具。下面我們使用該評估板分析L6362A產(chǎn)品對大電容和大電感負載的驅動(dòng)能力。

　　圖5：STEVAL-IFP017V3演示板，用于測試L6362A的阻容和電感負載驅動(dòng)能力

　　為阻容負載充電

　　在環(huán)境溫度Ta=25°C時(shí)，使用芯片的高邊、低邊、推挽三種配置，給一個(gè)并聯(lián)100Ω電阻的25μF阻容負載充電，Vcc電壓在18V至30V之間。

　　當使用L6362A給一個(gè)大電容充電時(shí)，主要風(fēng)險是截止保護功能可能會(huì )關(guān)閉輸出級。當發(fā)生這種現象時(shí)，通過(guò)并聯(lián)電阻給電容充電。為避免這種現象發(fā)生，必須使用時(shí)長(cháng)小于截止時(shí)間的脈沖串來(lái)驅動(dòng)輸入級(圖6)。

　　圖6：阻容充電波形

　　圖6所示是用Vcc=24V電壓和兩個(gè)3.5ms時(shí)長(cháng)的脈沖信號給L6362A所連的阻容負載充電(綠線(xiàn)代表Vin,紅線(xiàn)代表Vload，藍線(xiàn)代表Iload)。

　　如果Vcc=30V，則需要使用三個(gè)脈沖信號才能達到相同的結果。當驅動(dòng)高于25μF的電容時(shí)，必須增加脈沖信號數量。

　　大電感去磁

　　在一個(gè)大電感反復去磁過(guò)程中，必須考慮兩個(gè)主要風(fēng)險：1.電感放電產(chǎn)生的巨大電能可能導致器件燒損或燒毀;2.功率級結溫升高過(guò)快可能觸發(fā)器件本身的過(guò)熱關(guān)斷功能。

　　為測試是芯片在去磁時(shí)否正常工作，使用STEVAL-IFP017V3評估板驅動(dòng)一個(gè)1.9H的大電感，芯片外部不連接任何續流二極管。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(pán)為5mm2。

　　實(shí)驗未發(fā)現異常：封裝溫度最高值達到39.6°C。然后在Tamb=105°C下重復測試，驗證是否發(fā)生過(guò)熱關(guān)斷。

　　圖7：1.9H電感去磁;Iout=300mA, Tamb=105°C

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

　　4.結論

　　L6362A是連接數字傳感器和致動(dòng)器的理想收發(fā)器，其智能化程度足以實(shí)現兼容IO-Link通信協(xié)議的復雜解決方案，同時(shí)還是一個(gè)簡(jiǎn)易的通用I/O系統解決方案。

　　該產(chǎn)品具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，業(yè)內最低的Rds(on)電阻，DFN微型封裝，市場(chǎng)上最高的功率級，超大電容和電感驅動(dòng)能力，較低的產(chǎn)品價(jià)格。

　　參考文獻

　　(1) L6362A數據手冊

　　(2) AN4828 - (STEVAL-IFP017V3 IO-Link和SIO模式L6362A收發(fā)器評估板)