具有集成浪涌保護功能的小封裝 TIOS102 和 TIOS102x 數字傳感器輸出驅動器

在工業傳感器應用中，一款性能出色且功能豐富的數字傳感器輸出驅動器至關重要。TIOS102 和 TIOS102x 系列器件就是這樣的佼佼者，它們具備諸多優秀特性，能為系統設計帶來極大便利。本文將深入介紹 TIOS102 和 TIOS102x 數字傳感器輸出驅動器的相關特性、應用及設計要點。

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一、特性與應用

特性亮點

TIOS102 和 TIOS102x 具有寬電源運行范圍，其中 TIOS102、TIOS1023 的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 為 7V 至 36V。輸出可配置為 PNP、NPN 或推挽形式，并且提供功能安全相關文檔，有助于進行功能安全系統設計。這些器件能承受高達 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，還集成了反向極性保護功能，與 TIOS101(x) 引腳兼容且性能有所提升，例如在 200mA 條件下，殘余電壓低至 0.5V（典型值）。此外，它只需通過一個引腳可編程接口便可輕松連接到電路，可使用外部電阻器配置輸出電流限值，還具備故障報告和內部保護功能，能應對欠壓、過流和過熱條件。

應用場景

該系列器件適用于接近開關、電容式和電感式傳感器、傳動器以及數字輸出等場景。

二、規格參數

絕對最大額定值

在使用器件時，了解其絕對最大額定值至關重要。例如，VCC 和 OUT 的穩態電壓范圍為 - 65V 至 65V，瞬態脈沖寬度 < 100μs 時，VCC 和 OUT 的電壓范圍為 - 70V 至 70V，電壓差 |V(VCC) – V(OUT)| 最大為 65V 等。超出這些絕對最大額定值可能會導致器件永久性損壞。

ESD 評級

器件的 ESD 評級體現了其抗靜電能力。TIOS102 和 TIOS102x 所有引腳的人體模型 (HBM) 靜電放電為 ±4000V，帶電設備模型 (CDM) 為 ±750V。同時，在 IEC 規格方面，VCC、OUT 和 GND 的 IEC 61000 - 4 - 2 ESD（接觸放電）為 ±8000V，IEC 61000 - 4 - 5 浪涌為 ±1200V，IEC 61000 - 4 - 4 EFT（快速瞬變或脈沖）為 ±4000V。

推薦工作條件

推薦工作條件能確保器件穩定、高效地工作。TIOS102、TIOS1023、TIO1023L (3.3V 輸出) 的 V(VCC) 推薦范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025、TIOS1023L (5V 輸出) 為 7V 至 36V 等。

熱性能信息

熱性能對于器件的可靠性和穩定性有著重要影響。不同封裝的器件熱阻參數不同，如 TIOS102、TIOS1023、TIOS1025 DRC (10 引腳) 的結至環境熱阻為 45.9°C/W，TIOS102、TIOS1023L YAH(12 引腳) 為 79.3°C/W。

電氣特性

了解器件的電氣特性有助于我們更好地進行電路設計。例如，在電源方面，EN = LOW 且無負載時，靜態電源電流典型值為 1mA，最大值為 1.5mA；在驅動器輸出方面，高側和低側驅動器的導通電阻典型值為 2.5Ω 等。

開關特性

開關特性關系到器件的響應速度和信號傳輸質量。如驅動器傳播延遲 tPLH、HL 的典型值為 600ns，最大值為 1200ns 等。

三、詳細功能描述

電流限制配置

通過 ILIM_ADJ 引腳連接外部電阻可以配置輸出電流限制。當外部電阻為 10kΩ 時，在工作溫度和電壓范圍內，輸出電流最小限制為 300mA。將 ILIM_ADJ 引腳浮空可禁用輸出因電流故障而關閉以及電流故障自動恢復功能，但電流故障指示仍有效，這在驅動大電容負載時很有用。當 ILIM_ADJ 引腳接地時，器件可源出或吸收最小 500mA 電流，此時電流故障指示和輸出禁用及自動恢復功能均被禁用。

電流故障檢測、指示和自動恢復

當 OUT 引腳的輸出電流超過內部設定的電流限制 $I{O(LIM)}$ 且持續時間超過 $t{sc}$ 時，NFAULT 引腳將被拉低以指示故障。輸出會關閉，但 LDO 繼續工作。輸出會周期性重試以檢查是否仍處于過流狀態。通過設置 ILIM_ADJ = OPEN 或 GND 可禁用電流故障自動恢復模式。

熱警告和熱關斷

當芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時，NFAULT 標志會被拉低，提示可能存在過熱問題。當 $T{J}$ 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時，驅動器會重新啟用。

故障報告

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 閾值時會被拉低。當所有故障條件消除后，NFAULT 引腳恢復為高阻抗。

設備功能表

通過不同的 EN 和 IN 引腳組合，可以實現不同的驅動器功能和電流限制指示功能。例如，當 EN = L/Open 時，OUT 為 Hi - Z，設備處于就緒接收狀態。

集成電壓調節器 (LDO)

TIOS1023 和 TIOS1025 集成了線性電壓調節器 (LDO)，可向外部組件供電。LDO 能夠提供高達 20mA 的電流，并且在初始上電時，LDO 輸出電流限制為 35mA，以限制涌入 VCC_OUT 去耦電容的電流。在 DSBGA (YAH) 封裝中，TIOS1023L 可通過 VSEL 引腳配置 LDO 輸出電壓。

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波形耐受能力

VCC 和 OUT 引腳能夠承受高達 1.2kV 的 1.2/50 – 8/20μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，進行浪涌測試時，VCC 和 GND 之間需連接最小 100nF 的電源去耦電容，VCC_IN/OUT 和 GND 之間需連接 1μF 的電容。對于更高的瞬態保護要求，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。若 VCC 上電而 VCC_IN 未上電，OUT 引腳將保持高阻抗。

欠壓鎖定 (UVLO)

當 VCC 電壓低于 $V{(UVLO)}$ 時，器件進入 UVLO 狀態。此時 NFAULT 被拉低，LDO 關閉，OUT 輸出禁用（Hi - Z）。當電源電壓上升到 $V{(UVLO)}$ 以上時，NFAULT 恢復為 Hi - Z（無其他故障條件），LDO 立即啟用，OUT 輸出在 $T_{(UVLO)}$ 延遲后開啟。

設備功能模式

該系列器件可工作在三種不同模式：NPN 配置（N - 開關模式）、PNP 配置（P - 開關模式）和推挽模式。通過不同的引腳配置可以實現相應的功能。

四、應用設計

設計要求

在進行典型系統設計時，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。例如，輸入電壓范圍 (VCC) 推薦為 24V，最大 30V，輸出電流 (OUT) 為 200mA 時，可選擇 RSET = 27kΩ 以實現 250mA 的電流限制。

詳細設計程序

最高結溫檢查

在設計過程中，需要檢查最高結溫以確保器件不會因過熱而損壞。通過計算驅動器輸出和 LDO 的功率耗散，結合結至環境熱阻，可以得到結溫與環境溫度的差值，進而計算出最終結溫。只要結溫低于 150°C 的建議最大值，就不會發生熱關斷，但如果接近 $T_{WRN}$，可能會產生熱警告。

驅動電容性負載

器件能夠驅動 OUT 引腳上的電容性負載。在假設純電容負載且無串聯/并聯電阻的情況下，可以通過公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 計算不觸發電流故障時可充電的最大電容。為了驅動更高的電容性負載并避免過流導致驅動器關閉，可將 ILIM_ADJ 引腳浮空，或者在輸出和負載之間串聯電阻。

驅動電感性負載

TIOS102(x) 系列能夠對大電感負載進行磁化和消磁。在 P - 開關配置中，OUT 引腳驅動高電平時，負載電感 L 被磁化；當 PNP 關閉時，OUT 引腳會產生約 - 15V 的負電感反沖，該電壓會被內部鉗位。在 N - 開關配置中，情況類似，只是電感反沖為正，約 15V。可通過公式 $R=frac{V{(VCC)}}{I{O(LIM)}}$ 計算電阻性負載 R 的最小值。

應用曲線

通過應用曲線可以直觀地了解器件在不同工作模式下的性能表現，如在電流故障自動恢復、驅動電感負載和電容負載等情況下的波形。

五、電源供應和布局建議

電源供應

TIOS102 和 TIOS102x 設計為在 VCC 引腳使用標稱 24V 電源，但可在 7V 至 36V（TIOS1025）或 4.75V 至 36V（TIOS102、TIOS1023）的電源電壓范圍內工作。電源應使用至少 100nF/100V 的電容進行緩沖。

布局指南

推薦使用 4 層電路板以實現良好的熱傳導。頂層用于控制信號，第二層為 GND，第三層為 24V 電源平面 (VCC)，第四層為穩壓輸出電源 (VCC_IN/OUT)。將散熱焊盤通過盡可能多的熱過孔連接到 GND 以獲得最佳熱性能。使用完整的平面來保證 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND 的最小電感。VCC 引腳必須使用低 ESR 陶瓷去耦電容（最小 100nF）與 GND 去耦，電容電壓額定值至少為 50V（根據最大傳感器電源故障額定值可能為 100V），且應為 X5R 或 X7R 電介質。將所有開漏控制輸出通過 10kΩ 上拉電阻連接到 VCCIN/OUT 平面，將 $R{SET}$ 電阻連接在 ILIM_ADJ 和 GND 之間，VCC_IN/OUT 引腳的穩壓輸出電壓使用低 ESR、1μF 的陶瓷去耦電容與 GND 去耦。

TIOS102 和 TIOS102x 數字傳感器輸出驅動器憑借其豐富的功能、優秀的性能和良好的保護特性，為工業傳感器應用提供了可靠的解決方案。在設計過程中，我們需要充分了解其規格參數和功能特點，根據具體應用需求進行合理的設計和布局，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用這類器件的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。