具有集成浪涌保護功能的小封裝 TIOS102 和 TIOS102x 數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動器

在工業(yè)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能出色的數(shù)字驅(qū)動器對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。TI 推出的 TIOS102 和 TIOS102x 系列數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動器，憑借其集成的浪涌保護功能和小封裝設(shè)計，成為了眾多工程師的理想選擇。下面將對這款驅(qū)動器進行詳細介紹。

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一、產(chǎn)品概述

特性亮點

• 寬電源運行：TIOS102 和 TIOS1023 的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 則為 7V 至 36V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 可配置輸出：支持 PNP、NPN 或推挽可配置輸出，滿足多樣化的應(yīng)用需求。
• 集成保護功能：集成了 IEC 61000 - 4 - 4/5 EFT 和浪涌保護，能承受高達 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，還具備反向極性保護功能，可應(yīng)對欠壓、過流和過熱等情況。
• 小封裝設(shè)計：提供 3mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝（與 TIOS101 引腳兼容）和 2.45 mm x 1.7 mm DSBGA 封裝等節(jié)省空間的選項。

應(yīng)用領(lǐng)域

適用于接近開關(guān)、電容式和電感式傳感器、傳動器以及數(shù)字輸出等多種應(yīng)用場景。

二、引腳配置與功能

不同封裝的引腳功能

• VSON 封裝：包含 VCC_IN、NFAULT、IN、EN、ILIM_ADJ 等引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，VCC_IN 用于 3.3 - V 或 5 - V 線性穩(wěn)壓器輸出，NFAULT 用于向微控制器輸出故障指示信號。
• DSBGA 封裝：引腳功能與 VSON 封裝類似，但部分引腳的名稱和配置有所不同。如 B3 引腳對應(yīng) VCC_IN 或 VCC_OUT 功能。

引腳功能詳解

• 電源相關(guān)引腳：VCC 為電源電壓輸入，VCC_IN/OUT 用于邏輯電源輸入或線性穩(wěn)壓器輸出，為外部組件提供穩(wěn)定的電源。
• 控制與信號引腳：IN 用于傳輸數(shù)據(jù)輸入，EN 用于驅(qū)動使能輸入，NFAULT 用于故障指示輸出，方便工程師實時監(jiān)測驅(qū)動器的工作狀態(tài)。
• 電流限制引腳：ILIM_ADJ 用于通過連接外部電阻來配置輸出電流限值，實現(xiàn)對輸出電流的靈活控制。

三、規(guī)格參數(shù)

絕對最大額定值

• 電壓方面：VCC 和 OUT 的穩(wěn)態(tài)電壓范圍為 - 65V 至 65V，瞬態(tài)脈沖寬度 < 100 μs 時為 - 70V 至 70V，電壓差 |V(VCC) – V(OUT)| 最大為 65V。
• 其他參數(shù)：邏輯電源電壓、輸入邏輯電壓、輸出電流等都有相應(yīng)的最大額定值限制，超出這些范圍可能會導致器件永久損壞。

ESD 評級

• 人體模型（HBM）：所有引腳的靜電放電耐受能力為 ±4000V。
• 充電器件模型（CDM）：所有引腳為 ±750V。同時，在 IEC 規(guī)格下，VCC、OUT 和 GND 引腳在不同測試條件下也有相應(yīng)的 ESD 耐受能力。

推薦工作條件

• 電源電壓：TIOS102、TIOS1023 和 TIO1023L（3.3V 輸出）的推薦電源電壓為 4.75V 至 36V，TIOS1025 和 TIOS1023L（5V 輸出）為 7V 至 36V。
• 其他參數(shù)：邏輯電平輸入電壓、外部電阻、數(shù)據(jù)速率、LDO 輸出電流、工作環(huán)境溫度和結(jié)溫等都有明確的推薦范圍。

熱信息

不同封裝的 TIOS102 和 TIOS102x 器件在熱性能方面有所差異，如結(jié)到環(huán)境熱阻、結(jié)到外殼熱阻等參數(shù)不同，工程師在設(shè)計時需要根據(jù)實際情況進行考慮。

電氣特性

涵蓋了電源靜態(tài)電流、邏輯輸入電壓、控制輸出電壓、驅(qū)動器輸出電阻和電流等多個方面的電氣參數(shù)，這些參數(shù)在不同的測試條件下有相應(yīng)的典型值和范圍，為工程師提供了詳細的設(shè)計參考。

開關(guān)特性

包括驅(qū)動器傳播延遲、使能和禁用延遲、輸出上升和下降時間等參數(shù)，這些特性對于驅(qū)動器在高速開關(guān)應(yīng)用中的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。

四、詳細特性描述

電流限制配置

通過在 ILIM_ADJ 引腳連接外部電阻，可以靈活配置輸出電流限值。不同的電阻值對應(yīng)不同的電流限制范圍，并且可以根據(jù)需要選擇是否啟用輸出禁用和自動恢復功能。例如，當 ILIM_ADJ 引腳連接 10 kΩ 至 110 kΩ 電阻時，輸出電流限制在 35 mA 至 300 mA 之間，且具備輸出禁用和自動恢復功能；當 ILIM_ADJ 引腳接地時，可提供至少 500 mA 的電流，但輸出禁用和自動恢復功能將被禁用。

電流故障檢測、指示與自動恢復

當輸出電流超過內(nèi)部設(shè)定的電流限值且持續(xù)時間超過 tsc 時，NFAULT 引腳將被拉低以指示故障狀態(tài)，輸出將被關(guān)閉，但 LDO 仍繼續(xù)工作。輸出會周期性地重試，以檢查是否仍處于過流狀態(tài)。通過設(shè)置 ILIM_ADJ 引腳為 OPEN 或 GND 可以禁用電流故障自動恢復模式。

熱警告與熱關(guān)斷

當芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時，NFAULT 標志將被拉低，提示可能存在過熱問題；當結(jié)溫超過 $T{(SDN)}$ 時，輸出將被禁用，但 LDO 仍可正常工作。當溫度下降到閾值以下（經(jīng)過 $T_{(HYS)}$ 后），內(nèi)部電路將根據(jù) EN 和 IN 引腳的狀態(tài)重新啟用驅(qū)動器。

故障報告（NFAULT）

NFAULT 引腳在檢測到電流故障、芯片溫度超過 $T_{(WRN)}$ 或電源電壓低于 UVLO 閾值時將被拉低，當所有故障條件消除后，NFAULT 將恢復為高阻抗狀態(tài)。

設(shè)備功能表

詳細列出了不同 EN 和 IN 輸入狀態(tài)下，OUT 引腳的輸出狀態(tài)和相應(yīng)的功能描述，幫助工程師理解和配置驅(qū)動器的工作模式。

集成電壓調(diào)節(jié)器（LDO）

TIOS1023 和 TIOS1025 集成了線性電壓調(diào)節(jié)器（LDO），可為外部組件提供電源。LDO 輸出電壓可通過 VSEL 引腳進行配置，支持 3.3V 和 5V 兩種輸出選項，最大輸出電流可達 20 mA，并且在初始上電時，LDO 輸出電流限制為 35 mA，以限制涌入電流。

反向極性保護

該功能可保護器件免受 VCC、OUT 和 GND 引腳意外反接的影響，任何引腳之間的最大電壓不得超過 65V DC。

集成浪涌保護和瞬態(tài)波形耐受能力

VCC 和 OUT 引腳能夠承受高達 1.2 kV 的 1.2/50 – 8/20 μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，測試時需在 VCC 和 GND 之間連接至少 100 nF 的電源去耦電容，在 VCC_IN/OUT 和 GND 之間連接 1 μF 的電容。對于更高的瞬態(tài)保護要求，可能需要外部 TVS 二極管。

上電順序

VCC_IN 和 VCC 域可以按任意順序上電。當 VCC 上電而 VCC_IN 未上電時，OUT 引腳將保持高阻抗狀態(tài)。

欠壓鎖定（UVLO）

當 VCC 電壓低于 $V{(UVLO)}$ 時，器件將進入 UVLO 狀態(tài)，NFAULT 引腳被拉低，LDO 關(guān)閉，OUT 輸出禁用（高阻抗）。當電源電壓上升到 $V{(UVLO)}$ 以上時，NFAULT 將恢復為高阻抗（無其他故障條件下），LDO 將立即啟用，OUT 輸出將在 $T_{(UVLO)}$ 延遲后開啟。

設(shè)備功能模式

• NPN 配置（N - 開關(guān)模式）：將 IN 引腳設(shè)置為高電平（或開路），使用 EN 引腳作為控制信號，可實現(xiàn) OUT 引腳的 N - 開關(guān)功能（低側(cè)配置）。
• PNP 配置（P - 開關(guān)模式）：將 IN 引腳設(shè)置為低電平，使用 EN 引腳作為控制信號，可實現(xiàn) OUT 引腳的 P - 開關(guān)功能（高側(cè)配置）。
• 推挽模式：將 EN 引腳設(shè)置為高電平，通過切換 IN 引腳的電平，可實現(xiàn) OUT 引腳的推挽輸出功能。

五、應(yīng)用信息

典型應(yīng)用設(shè)計要求

在典型應(yīng)用中，需要考慮輸入電壓范圍、輸出電流、輸出電壓、LDO 輸出電流、上拉電阻、去耦電容等參數(shù)。例如，輸入電壓范圍推薦為 24V 至 30V（最大），輸出電流選擇 200mA 時，可通過選擇合適的 RSET 電阻（如 27kΩ）來設(shè)置電流限制。

詳細設(shè)計步驟

最高結(jié)溫檢查

在設(shè)計過程中，需要計算驅(qū)動器的功耗和結(jié)溫，以確保結(jié)溫不超過建議的最大值。例如，對于 200mA 電流限制，通過計算高側(cè)開關(guān)的壓降和 LDO 輸出電流的功耗，得出總功率耗散，再結(jié)合結(jié)至環(huán)境熱阻計算出結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值，最終得到結(jié)溫。只要結(jié)溫低于 150°C，就不會發(fā)生熱關(guān)斷，但如果接近 $T_{(WRN)}$，可能會產(chǎn)生熱警告。

驅(qū)動容性負載

TIOS102 和 TIOS102x 能夠驅(qū)動 OUT 輸出的容性負載。在假設(shè)純?nèi)菪载撦d（無串聯(lián)/并聯(lián)電阻）的情況下，可以通過公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 計算不觸發(fā)電流故障時可充電的最大電容值。為了驅(qū)動更高的容性負載并避免過流情況導致驅(qū)動器禁用，建議將 ILIM_ADJ 引腳浮空，或者在輸出和負載之間串聯(lián)一個電阻。

驅(qū)動感性負載

該系列驅(qū)動器能夠?qū)Υ箅姼胸撦d進行磁化和消磁。在 P - 開關(guān)或 N - 開關(guān)模式下，內(nèi)部電路可實現(xiàn)快速消磁。在 P - 開關(guān)配置中，OUT 引腳驅(qū)動高電平時，負載電感 L 被磁化；當 PNP 關(guān)斷時，OUT 引腳會出現(xiàn)約 - 15V 的負電感反沖，該電壓會被內(nèi)部鉗位。同理，在 N - 開關(guān)配置中，OUT 引腳驅(qū)動低電平時，負載電感 L 被磁化；當 NPN 關(guān)斷時，OUT 引腳會出現(xiàn)約 15V 的正電感反沖，也會被內(nèi)部鉗位。可以通過公式 $R=frac{V{(VCC)}}{I{O(LIM)}}$ 計算電阻性負載 R 的最小值。

應(yīng)用曲線

文檔中提供了多個應(yīng)用曲線，如 OUT 在電流故障自動恢復時的低側(cè)和高側(cè)模式曲線、OUT 驅(qū)動感性負載時的高側(cè)和低側(cè)模式曲線以及 OUT 驅(qū)動容性負載時的推挽模式曲線等，這些曲線直觀地展示了驅(qū)動器在不同應(yīng)用場景下的性能表現(xiàn)。

六、電源供應(yīng)與布局建議

電源供應(yīng)

TIOS102 和 TIOS102x 設(shè)計為在 VCC 端采用 24V 標稱電源供電，但可在 7V 至 36V（TIOS1025）或 4.75V 至 36V（TIOS102、TIOS1023）的電源電壓范圍內(nèi)工作。建議使用至少 100 - nF/100 - V 的電容對電源進行緩沖。

布局指南

• 電路板選擇：推薦使用 4 層電路板，以實現(xiàn)良好的熱傳導。頂層用于控制信號，第二層作為 GND 層，第三層作為 24 - V 電源平面（VCC），第四層作為穩(wěn)壓輸出電源平面（VCC_IN/OUT）。
• 熱性能優(yōu)化：將散熱墊通過盡可能多的熱過孔連接到 GND，以實現(xiàn)最佳的熱性能。使用完整的平面用于 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以確保最小的電感。
• 電容放置：在 VCC 端使用低 ESR 陶瓷去耦電容（最小 100 nF）進行接地去耦，電容的額定電壓至少為 50V（根據(jù)最大傳感器電源故障額定值可能需要 100V），并采用 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。電容應(yīng)盡可能靠近 VCC 和 GND 端子放置，以減少大電源電流負載時的電源壓降。
• 其他連接：將所有開漏控制輸出通過 10 kΩ 上拉電阻連接到 VCCIN/OUT 平面，為系統(tǒng)控制器輸入提供確定的電壓電位；將 $R{SET}$ 電阻連接在 ILIM_ADJ 和 GND 之間；在 VCC_IN/OUT 端使用低 ESR、1 μF 的陶瓷去耦電容進行接地去耦，電容額定電壓至少為 10V，采用 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。

七、設(shè)備與文檔支持

文檔更新通知

工程師可以導航至 ti.com 上的器件產(chǎn)品文件夾，點擊“訂閱更新”進行注冊，以每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。詳細的更改信息可查看修訂文檔中的修訂歷史記錄。

支持資源

TI E2E? 支持論壇是工程師獲取幫助的重要資源，可直接從專家處獲得快速、經(jīng)過驗證的解答和設(shè)計幫助。

靜電放電警告

靜電放電（ESD）可能會損壞集成電路，德州儀器（TI）建議采取適當?shù)念A防措施處理所有集成電路，以避免因不正確的處理和安裝程序?qū)е缕骷p壞。

TIOS102 和 TIOS102x 系列數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動器憑借其豐富的功能和出色的性能，為工業(yè)傳感器應(yīng)用提供了可靠的解決方案。工程師在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置引腳、選擇合適的工作模式，并注意電源供應(yīng)和布局設(shè)計，以充分發(fā)揮該驅(qū)動器的優(yōu)勢。大家在實際應(yīng)用中有沒有遇到過類似產(chǎn)品的一些特殊問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。