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IO-Link和SIO模式收发器推动感测器领域工业4.0革命
 

【作者: 意法半導體】2019年04月03日 星期三

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今天,工业革命正在全球逐渐形成,并为制造业的智慧资讯、通讯技术和物联网应用重新定义,德国政府称之为:「工业4.0」。


「工业4.0」的基本原则是透过连接机器、工具和控制系统,在整个价值链上下游之间构建自动互控的智慧网路。经由整合通讯、感测器和机器人技术构建物联网,工业4.0概念可提升工业制造的智慧化水平。


IO-Link是全球首个感测器和致动器标准化输入输出通讯技术(IEC 61131-9),因此,我们认为该标准可能被选为工业4.0标准通讯介面。


这种强大的点对点通讯采用成熟的感测器和致动器三线通讯技术,对线材没有任何额外的要求。因此,IO-Link不是Fieldbus现场总线技术,而是现有且成熟的感测器和致动器通讯技术之升级进化。


意法半导体的L6362A虽然是专为IO-Link通讯协议和工业4.0相容而设计,但仍然可用作标准通用收发器。


图1 : L6362A DFN 3x3 12L微型封装
图1 : L6362A DFN 3x3 12L微型封装

这款产品是一个三线数位介面感测器驱动解决方案,具有高效能、电路配置密集、价格亲民的特点,可满足现代感测器和致动器的要求,包括远端服务、标准化、功能验证、诊断和监视。


本文将介绍L6362A,重点描述产品特性、优势和运作方式。


产品特色

如图2所示,L6362A单晶片整合3.3V/5V线性稳压器;SEL脚位具有输出电压选择功能;最大输出电流12mA。稳压器还驱动内部逻辑元件,透过逻辑元件中的透传介面,驱动导通电阻Rds(on)极低的晶片输出级(典型值1Ω)。藉由IN1和IN2两个脚位的电平可配置输出级(高低边),同时元件外部连接OUTH和OUTL可实现推挽配置。当EN脚位置低逻辑电平时,输出级关闭。电感在高边配置下实现快速去磁;在推挽配置中,因为低边开关导通,所以慢速去磁有效。输出级高速传输性能使通讯速度达到COM3(230.4 kbps)水平。



图2 : L6362A框图
图2 : L6362A框图

该产品有自我保护功能:截止限流(不耗散短路保护)、过热关断、主动电压钳位、右侧脚位极性接返保护、欠压锁保护和EN60947-5-2和IEC61000-4-5标准电涌保护。所谓的不耗散短路保护是一项创新的电路专利技术,当输出级对地短路时可最大限度降低耗散功率;在多数情况下可避免过热关断干预。



图3 : 晶片截止时的电流特性
图3 : 晶片截止时的电流特性

图4 : 在截止周期後过热关断干预
图4 : 在截止周期後过热关断干预

EN(过热关断)和OL(限流)两个脚位可实现诊断功能,主微控制器还可透过OL脚位检测IO-Link唤醒请求事件。


L6362A的Rds(on)导通电阻在同级别产品中最低,仅有主要竞争产品的十分之一,这有助於降低总功率损耗,取得极低的耗散功率,可??在高度数IP模组??槽内,没有任何过热问题。


晶片为设计人员提供一个透传介面,便於开发简易经济的通讯解决方案,高达COM3的宽传输速速率范围为高频通讯提供保证。


L6362A适用於开发IO-link应用以及通用收发器或简单的线路驱动器,其多用途特性是该产品的一个重要优点,就像,「万用介面」能够胜过任何??槽。此外,与输出级连接非常简易,灵活性和定制程度俱隹。


该产品具有出色的全方位保护功能、高可靠性和经久的耐用性。


驱动电容和电感负载

STEVAL-IFP017V3(图5) 是意法半导体开发的L6362A专用评估板,为客户测试产品的工作性能提供一个简单的应用工具。下文我们使用该评估板分析L6362A产品对大电容和大电感负载的驱动能力。



图5 : STEVAL-IFP017V3展示板,用於测试L6362A的阻容和电感负载驱动能力。
图5 : STEVAL-IFP017V3展示板,用於测试L6362A的阻容和电感负载驱动能力。

为阻容负载充电

在环境温度Ta=25度(摄氏)时,使用晶片的高边、低边、推挽三种配置,给一个并联100Ω电阻的25μF阻容负载充电,Vcc电压在18V至30V之间。


当使用L6362A充电时,主要风险是截止保护功能可能会关闭输出级。当发生这种现象时,透过并联电阻给电容充电。为避免这种现象发生,必须使用时长小於截止时间的脉冲串来驱动输入级(图6)。



图6 : 阻容充电波形
图6 : 阻容充电波形

图6所示是用Vcc=24V电压和两个3.5ms时长的脉冲讯号给L6362A所连的阻容负载充电(绿线代表Vin,红线代表Vload,蓝线代表Iload)。


如果Vcc=30V,则需要使用三个脉冲讯号才能达到相同的结果。当驱动高於25μF的电容时,必须增加脉冲讯号数量。


大电感去磁

在一个大电感反复去磁过程中,必须考虑两个主要风险:1.电感放电产生的巨大电能可能导致元件烧损或烧毁;2.功率级结温升高过快可能触发器件本身的过热关断功能。


为测试是晶片在去磁时否正常运作,我们使用STEVAL-IFP017V3评估板驱动一个1.9H的大电感,晶片外部不连接任何续流二极体。测试条件:Vcc=24V, Tamb=25。C, 输出电流300mA, 频率2Hz,占空比50%,推挽配置。测试用的散热盘为5mm2。


实验未发现异常:封装温度最高值达到39.6。C。然後在Tamb=105。C下重复测试,验证是否发生过热关断。



图7 : 1.9H电感去磁;Iout=300mA, Tamb=105。C
图7 : 1.9H电感去磁;Iout=300mA, Tamb=105。C

图7所示是充电波形(绿线代表Vin;红线代表Vload;蓝线代表Iload)。


结论

L6362A是连接数位感测器和致动器的理想收发器,其智慧化程度足以实现兼容IO-Link通讯协议的复杂解决方案,同时还是一个简易的通用I/O系统解决方案。


该产品具有诸多优点,例如,业内最低的Rds(on)电阻,DFN微型封装,市场上最高的功率级,超大电容和电感驱动能力,较低的产品价格。


(本文作者Giuseppe Di Stefano, Michelangelo Marchese任职於意法半导体)


叁考文献

[1]L6362A数据手册


[2]AN4828-(STEVAL-FP017V3 IO-Link和SIO模式L6362A收发器评估板)


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