ISOFACE提供智能化保護(hù)

電隔離8通道高邊開關(guān)和數(shù)字輸入IC

　　ISOFACE™產(chǎn)品家族能以智能化方式解決大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)所面臨的共同挑戰(zhàn)，譬如，可編程邏輯控制器（PLC）、驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)PC、機(jī)器人系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、樓宇控制系統(tǒng)、普通控制設(shè)備和傳感器輸入模組。其共同的挑戰(zhàn)是需要在3.3V或5V側(cè)和24V工廠車間環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)可靠的隔離。3.3V或5V側(cè)通常被稱為系統(tǒng)的“控制側(cè)”，這是單片機(jī)或控制ASIC所處的位置，24V工廠車間環(huán)境通常被稱為“過程側(cè)”。

　　要求進(jìn)行這種隔離有兩個(gè)主要原因：

　　1）在控制側(cè)和過程側(cè)產(chǎn)生的差動(dòng)電流，會導(dǎo)致接地電位的巨大變化。低壓控制側(cè)尤其需要得到保護(hù)，免受這種接地電位變化的影響。這種保護(hù)只能通過控制側(cè)與過程側(cè)的電氣去耦來實(shí)現(xiàn)。這種去耦是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵诠I(yè)控制系統(tǒng)中，從系統(tǒng)一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，即穿過隔離屏障的只有信息。具體實(shí)現(xiàn)的方法就是隔離。

　　2）逆變器，比如用于控制電機(jī)速度的，是過程側(cè)高能擾動(dòng)的常見來源，會引起浪涌和快速瞬變以及高頻噪聲。如果沒有隔離，這種擾動(dòng)就會直接影響單片機(jī)或控制ASIC。在過程側(cè)，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(hù)控制側(cè)，使其免受過程側(cè)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通道高邊開關(guān)和8通道數(shù)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）。這種電隔離通過電感耦合實(shí)現(xiàn)，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(rèn)證，譬如，ISO11452-7和IEC61131-2。通過這種方式，可以在工業(yè)控制系統(tǒng)的過程側(cè)與控制側(cè)之間實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(yù)先抵消老化效應(yīng)，設(shè)計(jì)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，就越會加速光耦合器的老化效應(yīng)。] ISOFACE™產(chǎn)品的電隔離性能不會受到這種老化效應(yīng)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(xiàn)更加線性化的變化趨勢。

保護(hù)輸出

可靠的電隔離8通道輸出開關(guān)

　　ISO1H81xG 產(chǎn)品家族的8通道高邊開關(guān)可驅(qū)動(dòng)任何類型的阻性負(fù)載、感性負(fù)載或容性負(fù)載。每通道的最大額定負(fù)載電流可達(dá)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(fù)載。甚至可以并聯(lián)組合四個(gè)輸出通道，這將達(dá)到4 A的最大允許負(fù)載電流。集成的感應(yīng)箝位二極管可以重復(fù)吸收每輸出通道1焦耳的能量。這樣，在切換感性負(fù)載時(shí)，無需加裝額外的箝位二極管來吸收換流功率。

內(nèi)置安全與診斷機(jī)制

　　芯片上每個(gè)高邊開關(guān)的輸出電流會被監(jiān)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(xù)承受的水平。因此，輸出開關(guān)可承受長時(shí)間短路，并仍能被安全切斷。此外，每個(gè)輸出通道還內(nèi)置過溫保護(hù)。當(dāng)超過135°C (tjunction)的過溫保護(hù)閾值時(shí)，相應(yīng)的輸出通道會被自動(dòng)切斷。冷卻后，假如單片機(jī)或控制ASIC未同時(shí)發(fā)出關(guān)斷指令，相應(yīng)通道會再次自動(dòng)開啟。

　　此外，為確保MOSFET輸出級的正確切換，會對過程側(cè)的供電電壓（Vbb）進(jìn)行監(jiān)控。如果Vbb降至10.5V甚至更低，輸出會被自動(dòng)切斷。

　　對于使用沒有集成電隔離功能的開關(guān)的解決方案而言，過程側(cè)的“地線缺失”會是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在這種非隔離的設(shè)計(jì)中，開關(guān)IC的兩側(cè)有一個(gè)共同的接地。當(dāng)?shù)鼐€缺失時(shí)，該開關(guān)IC的控制信號也會失去其接地參考點(diǎn)。這會造成開關(guān)IC不能被切斷的情況。ISOFACE™輸出開關(guān)集成了電隔離功能，正因如此，如果過程側(cè)發(fā)生地線缺失的情況，控制側(cè)仍然可以完全正常工作。因此，即便在地線缺失的情況下，ISOFACE™輸出開關(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(jī)或控制ASIC可以同時(shí)關(guān)閉所有輸出。如果有多個(gè)數(shù)字輸出IC被連接到一個(gè)單片機(jī)或一個(gè)控制ASIC ，這就會是一個(gè)特別有用的功能。

　　這些功能組合到一起，加強(qiáng)了ISOFACE™輸出開關(guān)的極端堅(jiān)固耐用性。

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

保護(hù)輸入

電隔離數(shù)字輸入IC

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

　　每個(gè)IC可以連接多達(dá)8個(gè)符合IEC61131-2（類型1/2/3）標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字輸入。IC的輸入作為電流池。與使用光耦合器和無源元件組合的傳統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠打造非常緊湊的輸入模組設(shè)計(jì)，或者在規(guī)定的外形內(nèi)顯著增加輸入通道的數(shù)量。

　　為改善該系統(tǒng)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，可以使用跳線來選擇所有輸入通道共用的四個(gè)設(shè)置之一。ISO1I813T則更加完善，它允許針對每個(gè)通道的濾波器設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)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濾時(shí)間設(shè)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(tǒng)ASIC的系統(tǒng)解決方案，旁路模式可提供針對它們的向后兼容性。

　　ISOFACETM數(shù)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(nèi)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(shù)倍之多。在ISOFACE™所支持的范圍內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求調(diào)整采樣頻率。對于高精度或高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而言，像裝瓶機(jī)，或譬如，對于紙張和印刷業(yè)中使用的設(shè)備而言，高采樣速度具有特別的意義。

　　唯ISO1I813T具有的一項(xiàng)功能是，它能夠從多個(gè)輸入IC同步捕獲輸入信號。當(dāng)需要收集一臺裝有眾多傳感器的復(fù)雜機(jī)器的狀態(tài)的同步時(shí)間戳?xí)r，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關(guān)之間的斷線情況。由于系統(tǒng)要求可能有很大差異，所以，斷線檢測的靈敏度水平是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來確定的。有趣的是，斷線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(yīng)用，比如，輸入中既有支持?jǐn)嗑€檢測的傳感器又有不支持?jǐn)嗑€檢測的傳感器，這是一項(xiàng)重要的功能。當(dāng)檢測到斷線時(shí)，單片機(jī)或控制ASIC會接收到來自ISOFACE™數(shù)字輸入IC的相應(yīng)反饋。在接下來的步驟中，可以確定發(fā)生斷線的相應(yīng)通道。

　　此外，ISO1I813T可監(jiān)測過程側(cè)（Vbb）的供電電壓，并區(qū)分三種狀態(tài)。Vbb高于16V時(shí)，IC會提供指示，這是工作的正常模式。當(dāng)Vbb降至16V以下，但仍高于13V時(shí)，IC將向單片機(jī)或系統(tǒng)ASIC發(fā)送所謂的預(yù)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員可利用這個(gè)預(yù)警信息來決定改變系統(tǒng)的工作模式，或者安全地并以受控的方式關(guān)閉系統(tǒng)。如果Vbb介于13V和9V之間，IC仍然工作，但是，在過程側(cè)收集的輸入數(shù)據(jù)是無效的。這被稱為警告范圍，會提供“Vbb失壓”的反饋。

　　ISO1I811T 和ISO1I813T均配備指示“Vbb失壓”的錯(cuò)誤引腳，不過，觸發(fā)電平不同。在ISO1I811T上，當(dāng)Vbb低于13V的閾值時(shí)，錯(cuò)誤引腳就將啟動(dòng)。在ISO1I813T 上，錯(cuò)誤引腳指示“Vbb欠壓”，即Vbb低于16V的閾值，換言之，進(jìn)入預(yù)警范圍會被標(biāo)記出來。
斷線監(jiān)控和Vbb監(jiān)控均可顯著改善工廠級維護(hù)支持，從而，非常有助于最大限度地縮短代價(jià)高昂的機(jī)器停機(jī)時(shí)間。

靈活的單片機(jī)和控制ASIC接口

　　數(shù)字輸出IC和數(shù)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(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠從光耦合器解決方案升級到ISOFACE，并且無需更改控制ASIC。如果PCB面積盡可能最小是一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，那么，4線串行接口就是設(shè)計(jì)人員的理想選擇。自然地，當(dāng)多個(gè)數(shù)字輸出IC或數(shù)字輸入IC以菊花鏈模式串聯(lián)時(shí)，也將使用串行接口。

　　數(shù)字輸出產(chǎn)品提供串行接口或并行接口。數(shù)字輸入產(chǎn)品可以由系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)語

　　唯有英飛凌ISOFACE™產(chǎn)品能夠提供一個(gè)完整的系統(tǒng)解決方案：集成了a） 一個(gè)智能化單片機(jī)/控制ASIC接口，b)可靠的電隔離功能和c）強(qiáng)大的高邊開關(guān)或通用的數(shù)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(xiàn)一個(gè)完整系統(tǒng)解決方案所需的組件數(shù)量。這是ISOFACE帶來的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。ISOFACETM產(chǎn)品使新一代緊湊和經(jīng)濟(jì)高效的工業(yè)控制解決方案成為可能。高度的功能集成，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)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(nèi)置診斷反饋機(jī)制，能大大提升系統(tǒng)安全性，并為系統(tǒng)維護(hù)提供強(qiáng)有力的支持。