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

　　1.前言

　　今天在全球范圍內(nèi)以應(yīng)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，德國政府稱之為:“工業(yè)4.0”。

　　“工業(yè)4.0”的基本原則是通過連接機(jī)器、工件和控制系統(tǒng)，在整個價(jià)值鏈上下游之間構(gòu)建自動互控的智能網(wǎng)絡(luò)。通過整合信息通信、傳感器和機(jī)器人技術(shù)構(gòu)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是全球首個傳感器和致動器標(biāo)準(zhǔn)化輸入輸出通信技術(shù)(IEC 61131-9)，因此，我們認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)可能被選為工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)通信接口。

　　這種強(qiáng)大的點(diǎn)對點(diǎn)通信基于成熟的傳感器和致動器三線通信技術(shù)，對線材沒有任何額外的要求。因此，IO-Link不是Fieldbus現(xiàn)場總線技術(shù)，而是現(xiàn)有的成熟的傳感器和致動器通信技術(shù)的升級進(jìn)化。

　　意法半導(dǎo)體的L6362A雖然是專為兼容IO-Link通信協(xié)議和工業(yè)4.0專門設(shè)計(jì)，但是仍然可用作標(biāo)準(zhǔn)通用收發(fā)器。

　　圖1：L6362A DFN 3x3 12L微型封裝

　　這款產(chǎn)品是一個三線數(shù)字接口傳感器驅(qū)動解決方案，具有高能效、尺寸緊湊、價(jià)格親民的特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)代傳感器和致動器的全部要求：遠(yuǎn)程服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)化、功能驗(yàn)證、診斷和監(jiān)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線性穩(wěn)壓器;SEL引腳具有輸出電壓選擇功能;最大輸出電流12mA。穩(wěn)壓器還驅(qū)動內(nèi)部邏輯單元，通過邏輯單元中的透傳接口，驅(qū)動導(dǎo)通電阻Rds(on)極低的片上輸出級(典型值1Ω)。通過IN1和IN2兩個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(xiàn)推挽配置。當(dāng)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(xiàn)快速去磁;在推挽配置中，因?yàn)榈瓦呴_關(guān)導(dǎo)通，所以慢速去磁有效。輸出級高速傳輸性能使通信速度達(dá)到COM3(230.4 kbps)水平。

　　圖2：L6362A框圖

　　該產(chǎn)品有自我保護(hù)功能：截止限流(不耗散短路保護(hù))、過熱關(guān)斷、主動電壓鉗位、右側(cè)引腳極性接返保護(hù)、欠壓鎖保護(hù)和EN60947-5-2和IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)電涌保護(hù)。所謂的不耗散短路保護(hù)是一項(xiàng)創(chuàng)新的電路專利技術(shù)，當(dāng)輸出級對地短路時(shí)可最大限度降低耗散功率;在多數(shù)情況下可避免過熱關(guān)斷干預(yù)。

　　圖3：芯片截止時(shí)的電流特性

　　圖4：在截止周期后過熱關(guān)斷干預(yù)

　　EN(過熱關(guān)斷)和OL(限流)兩個引腳可實(shí)現(xiàn)診斷功能，主微控制器還可通過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(dǎo)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(shù)IP模塊插槽內(nèi)，沒有任何過熱問題。

　　芯片為設(shè)計(jì)人員提供一個透傳接口，便于開發(fā)簡易經(jīng)濟(jì)的通信解決方案，高達(dá)COM3的寬傳輸速速率范圍為高頻通信提供保證。

　　L6362A適用于開發(fā)IO-link應(yīng)用以及通用收發(fā)器或簡單的線路驅(qū)動器，其多用途特性是該產(chǎn)品的一個重要優(yōu)點(diǎn)，例如，“jolly”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(chǎn)品具有出色的全方位保護(hù)功能、高可靠性和經(jīng)久的耐用性。

　　3.驅(qū)動電容和電感負(fù)載

　　STEVAL-IFP017V3(圖5) 是意法半導(dǎo)體開發(fā)的L6362A專用評估板，為客戶測試該產(chǎn)品的工作性能提供一個簡單的應(yīng)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(fù)載的驅(qū)動能力。

　　圖5：STEVAL-IFP017V3演示板，用于測試L6362A的阻容和電感負(fù)載驅(qū)動能力

　　為阻容負(fù)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，給一個并聯(lián)100Ω電阻的25μF阻容負(fù)載充電，Vcc電壓在18V至30V之間。

　　當(dāng)使用L6362A給一個大電容充電時(shí)，主要風(fēng)險(xiǎn)是截止保護(hù)功能可能會關(guān)閉輸出級。當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，通過并聯(lián)電阻給電容充電。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，必須使用時(shí)長小于截止時(shí)間的脈沖串來驅(qū)動輸入級(圖6)。

　　圖6：阻容充電波形

　　圖6所示是用Vcc=24V電壓和兩個3.5ms時(shí)長的脈沖信號給L6362A所連的阻容負(fù)載充電(綠線代表Vin,紅線代表Vload，藍(lán)線代表Iload)。

　　如果Vcc=30V，則需要使用三個脈沖信號才能達(dá)到相同的結(jié)果。當(dāng)驅(qū)動高于25μF的電容時(shí)，必須增加脈沖信號數(shù)量。

　　大電感去磁

　　在一個大電感反復(fù)去磁過程中，必須考慮兩個主要風(fēng)險(xiǎn)：1.電感放電產(chǎn)生的巨大電能可能導(dǎo)致器件燒損或燒毀;2.功率級結(jié)溫升高過快可能觸發(fā)器件本身的過熱關(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(qū)動一個1.9H的大電感，芯片外部不連接任何續(xù)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。測試用的散熱盤為5mm2。

　　實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常：封裝溫度最高值達(dá)到39.6°C。然后在Tamb=105°C下重復(fù)測試，驗(yàn)證是否發(fā)生過熱關(guān)斷。

　　圖7：1.9H電感去磁;Iout=300mA, Tamb=105°C

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

　　4.結(jié)論

　　L6362A是連接數(shù)字傳感器和致動器的理想收發(fā)器，其智能化程度足以實(shí)現(xiàn)兼容IO-Link通信協(xié)議的復(fù)雜解決方案，同時(shí)還是一個簡易的通用I/O系統(tǒng)解決方案。

　　該產(chǎn)品具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，業(yè)內(nèi)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(qū)動能力，較低的產(chǎn)品價(jià)格。

　　參考文獻(xiàn)

　　(1) L6362A數(shù)據(jù)手冊

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