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      IO-Link和SIO模式收發器將推動傳感器技術領域的工業4.0革命

      發布時間:2018-10-19 責任編輯:xueqi

      【導讀】在傳感器技術領域,IO-Link是全球首個傳感器和致動器標準化輸入輸出通信技術(IEC 61131-9),因此,我們認為該標準可能被選為工業4.0標準通信接口。
       
      1.前言
       
      今天在全球范圍內以應用智能信息、通信技術和物聯網(IoT)重新定義制造業的工業革命正在逐漸形成,德國政府稱之為:“工業4.0”。
       
       
      “工業4.0”的基本原則是通過連接機器、工件和控制系統,在整個價值鏈上下游之間構建自動互控的智能網絡。通過整合信息通信、傳感器和機器人技術構建物聯網,工業4.0概念可提高工業制造的智能化水平。
       
      在傳感器技術領域,IO-Link是全球首個傳感器和致動器標準化輸入輸出通信技術(IEC 61131-9),因此,我們認為該標準可能被選為工業4.0標準通信接口。
       
      這種強大的點對點通信基于成熟的傳感器和致動器三線通信技術,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,而是現有的成熟的傳感器和致動器通信技術的升級進化。
       
      意法半導體的L6362A雖然是專為兼容IO-Link通信協議和工業4.0專門設計,但是仍然可用作標準通用收發器。
       
      圖1:L6362A DFN 3x3 12L微型封裝
       
      這款產品是一個三線數字接口傳感器驅動解決方案,具有高能效、尺寸緊湊、價格親民的特點,可滿足現代傳感器和致動器的全部要求:遠程服務、標準化、功能驗證、診斷和監視。
       
      本文將主要介紹L6362A產品,重點描述產品特性、優點和工作方式。
       
      2.L6362A產品特性和優點
       
      產品特性
       
      如圖2所示,L6362A單片集成3.3V/5V線性穩壓器;SEL引腳具有輸出電壓選擇功能;最大輸出電流12mA。穩壓器還驅動內部邏輯單元,通過邏輯單元中的透傳接口,驅動導通電阻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),同時器件外部連接OUTH和OUTL可實現推挽配置。當EN引腳置低邏輯電平時,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信速度達到COM3(230.4 kbps)水平。
       
      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:芯片截止時的電流特性
       
      圖4:在截止周期后過熱關斷干預
       
      EN(過熱關斷)和OL(限流)兩個引腳可實現診斷功能,主微控制器還可通過OL引腳檢測IO-Link喚醒請求事件。
       
      產品優點
       
      L6362A的Rds(on)導通電阻在同級別產品中最低,不足主要競爭產品的十分之一,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,沒有任何過熱問題。
       
      芯片為設計人員提供一個透傳接口,便于開發簡易經濟的通信解決方案,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,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。
       
      該產品具有出色的全方位保護功能、高可靠性和經久的耐用性。
       
      3.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,為客戶測試該產品的工作性能提供一個簡單的應用工具。下面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演示板,用于測試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°C時,使用芯片的高邊、低邊、推挽三種配置,給一個并聯100Ω電阻的25µF阻容負載充電,Vcc電壓在18V至30V之間。
       
      當使用L6362A給一個大電容充電時,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,通過并聯電阻給電容充電。為避免這種現象發生,必須使用時長小于截止時間的脈沖串來驅動輸入級(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時長的脈沖信號給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,則需要使用三個脈沖信號才能達到相同的結果。當驅動高于25µF的電容時,必須增加脈沖信號數量。
       
      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器件燒損或燒毀;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。
       
      為測試是芯片在去磁時否正常工作,使用STEVAL-IFP017V3評估板驅動一個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。測試用的散熱盤為5mm2。 
       
      實驗未發現異常:封裝溫度最高值達到39.6°C。然后在Tamb=105°C下重復測試,驗證是否發生過熱關斷。
       
      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;藍線代表Iload)。
       
      4.結論
       
      L6362A是連接數字傳感器和致動器的理想收發器,其智能化程度足以實現兼容IO-Link通信協議的復雜解決方案,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。
       
      參考文獻
       
      (1)L6362A數據手冊
      (2)AN4828 - (STEVAL-IFP017V3 IO-Link和SIO模式L6362A收發器評估板)
       
      作者:Giuseppe Di Stefano, Michelangelo Marchese  意法半導體(ST)
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