集成浪涌保護(hù)的數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器——TIOS101、TIOS101x

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器是構(gòu)建穩(wěn)定、高效系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。德州儀器（TI）推出的 TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器，憑借其集成浪涌保護(hù)等一系列特性，在工業(yè)傳感器等應(yīng)用中展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來深入了解一下這些器件。

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特性亮點(diǎn)

功能安全與寬電壓范圍

TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 提供了功能安全相關(guān)文檔，有助于進(jìn)行功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其電源電壓范圍為 7V 至 36V，輸出可配置為 PNP、NPN 或推挽模式。在 250mA 條件下，殘余電壓低至 1.75V，這對(duì)于降低功耗和提高系統(tǒng)效率非常重要。

強(qiáng)大的保護(hù)功能

這些器件具有出色的保護(hù)能力，能夠耐受 ±65V 瞬態(tài)電壓（時(shí)間低于 100μs），在 VCC、OUT 和 GND 上提供高達(dá) 60V 的反極性保護(hù)，同時(shí)在 VCC 和 OUT 上集成了 EMC 保護(hù)。具體包括 ±16kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電、±4kV IEC 61000 - 4 - 4 電氣快速瞬變以及 ±1.2kV/500Ω IEC 61000 - 4 - 5 浪涌保護(hù)。這種強(qiáng)大的保護(hù)功能可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，減少因外部干擾和異常電壓導(dǎo)致的故障。

靈活的電流配置與負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力

輸出電流限制可在 50mA 至 350mA 之間進(jìn)行配置，通過外部電阻器即可輕松實(shí)現(xiàn)。此外，它還具備高達(dá) 1.5H 電感負(fù)載的快速消磁功能和大電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，靜態(tài)電源電流小于 2.2mA，集成式 LDO 選項(xiàng)可支持高達(dá) 20mA 的電流。TIOS101 無 LDO，TIOS1013 提供 3.3V LDO，TIOS1015 提供 5V LDO，滿足不同的電源需求。

過熱與故障保護(hù)

具備過熱警告和熱保護(hù)功能，當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警告并采取保護(hù)措施，避免器件損壞。同時(shí)，還設(shè)有故障指示燈，通過 NFAULT 引腳輸出信號(hào)，方便工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理過流、欠壓和過熱等故障情況。

小尺寸封裝

采用 2.5mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝，節(jié)省了電路板空間，適合對(duì)尺寸要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

應(yīng)用領(lǐng)域

TIOS101 和 TIOS101x 主要應(yīng)用于接近開關(guān)、電容式和電感式傳感器的數(shù)字輸出等工業(yè)傳感器領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，其強(qiáng)大的保護(hù)功能和靈活的配置能力能夠確保傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

器件詳細(xì)說明

可配置驅(qū)動(dòng)模式

TIOS101(x) 器件可配置為高側(cè)、低側(cè)或推挽驅(qū)動(dòng)器。通過一個(gè)簡(jiǎn)單的引腳可編程接口，就能輕松連接到控制器電路，輸出電流限制可使用外部電阻器進(jìn)行配置。這種靈活性使得工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

故障報(bào)告與內(nèi)部保護(hù)

器件提供了故障報(bào)告和內(nèi)部保護(hù)功能，可應(yīng)對(duì)欠壓、過流和過熱條件。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，NFAULT 引腳會(huì)輸出低電平信號(hào)，指示故障狀態(tài)。同時(shí)，內(nèi)部保護(hù)機(jī)制會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出，保護(hù)器件不受損壞。

規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

在穩(wěn)態(tài)下，VCC 和 OUT 的電壓范圍為 - 60V 至 60V；在瞬態(tài)脈沖寬度小于 100us 時(shí)，VCC 和 OUT 的電壓范圍為 - 65V 至 65V。電壓差最大為 60V，邏輯電源電壓（TIOS101）為 - 0.3V 至 6V，輸入邏輯電壓為 - 0.3V 至 6V，輸出電流（NFAULT）為 - 5mA 至 5mA，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 55°C 至 170°C。

ESD 評(píng)級(jí)

所有引腳的人體模型（HBM）ESD 為 ±4000V，VCC、OUT 和 GND 引腳的接觸放電為 ±16000V，電氣快速瞬變?yōu)?±4000V，500Ω 浪涌保護(hù)為 ±1200V。

推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為 7V 至 36V，邏輯電平輸入電壓（TIOS101 僅適用）在 3.3V 配置下為 3V 至 3.6V，5V 配置下為 4.5V 至 5.5V。外部電阻 RSET 用于 OUT 電流限制，范圍為 0 至 100kΩ，信號(hào)速率（推挽模式）最大為 250kbps，LDO 輸出電流（TIOS1013 和 TIOS1015 僅適用）最大為 20mA，工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，結(jié)溫最大為 150°C。

功能特性詳解

電流限制配置

輸出電流可通過 ILIM_ADJ 引腳的內(nèi)部電阻進(jìn)行配置，最大可設(shè)置電流限制為 300mA。通過不同的引腳連接方式，可以實(shí)現(xiàn)可變電流限制、固定 300mA 電流限制以及禁用輸出禁用和自動(dòng)恢復(fù)功能等不同配置。這種靈活的電流限制配置對(duì)于驅(qū)動(dòng)不同負(fù)載非常有用，特別是在驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載時(shí)，可以通過禁用自動(dòng)恢復(fù)功能來避免頻繁的故障觸發(fā)。

電流故障檢測(cè)與恢復(fù)

當(dāng)輸出電流超過內(nèi)部設(shè)定的電流限制 I $O(LIM)$ 且持續(xù)時(shí)間超過 $tsc$ 時(shí)，NFAULT 引腳會(huì)被驅(qū)動(dòng)為邏輯低電平，指示故障狀態(tài)，輸出會(huì)被關(guān)閉，但 LDO 繼續(xù)工作。輸出會(huì)周期性地重試，以檢查是否仍處于過流狀態(tài)。通過設(shè)置 $ILIM_ADJ = OPEN$ 可以禁用電流故障自動(dòng)恢復(fù)模式。

熱保護(hù)功能

當(dāng)芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時(shí)，NFAULT 標(biāo)志會(huì)被拉低，指示可能存在過熱問題。當(dāng) $T{J}$ 超過 $T{(SDN)}$ 時(shí)，輸出會(huì)被禁用，但 LDO 仍然保持工作。當(dāng)溫度下降到閾值以下（并經(jīng)過 $T{(HYS)}$）后，內(nèi)部電路會(huì)重新啟用驅(qū)動(dòng)器，具體取決于 EN 和 IN 引腳的狀態(tài)。

故障報(bào)告

NFAULT 引腳在檢測(cè)到電流故障、芯片溫度超過 $T_{(WRN)}$ 或電源電壓低于 UVLO 閾值時(shí)會(huì)被拉低。當(dāng)所有故障條件消除后，NFAULT 會(huì)恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。

設(shè)備功能模式

這些器件可以在三種不同模式下工作：NPN 配置（N - 開關(guān)模式）、PNP 配置（P - 開關(guān)模式）和推挽模式。通過設(shè)置不同的 EN 和 IN 引腳狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。例如，在 NPN 配置中，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(hào)，可在 OUT 端實(shí)現(xiàn) N - 開關(guān)功能。

應(yīng)用設(shè)計(jì)

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)要求

在典型應(yīng)用中，推薦的輸入電壓范圍為 24V 至 30V（最大），輸出電流為 200mA，選擇 TIOS1015 時(shí)輸出電壓為 5V，最大 LDO 輸出電流為 5mA，NFAULT 上拉電阻為 10kΩ，VCC 去耦電容為 0.1μF/100V，LDO 輸出電容為 1μF/10V，ILIM_ADJ 電阻（RSET）為 10kΩ，最大環(huán)境溫度為 105°C。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

最大結(jié)溫檢查

在設(shè)計(jì)過程中，需要檢查最大結(jié)溫是否在允許范圍內(nèi)。以 200mA 電流限制為例，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器輸出的功率消耗和 LDO 的功率消耗，然后根據(jù)結(jié)到環(huán)境的熱阻計(jì)算出結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值，最后加上最大環(huán)境溫度得到最終結(jié)溫。只要最終結(jié)溫低于推薦的最大值 150°C，就不會(huì)發(fā)生熱關(guān)斷，但可能會(huì)觸發(fā)熱警告。

驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載

這些器件能夠驅(qū)動(dòng) OUT 輸出端的電容負(fù)載。在假設(shè)純電容負(fù)載且無串聯(lián)/并聯(lián)電阻的情況下，可以根據(jù)公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{v{(VCC)}}$ 計(jì)算出不觸發(fā)電流故障的最大電容值。如果需要驅(qū)動(dòng)更高的電容負(fù)載，可以在 OUT 和負(fù)載之間連接串聯(lián)電阻。

驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載

TIOS101(x) 系列能夠?qū)Ω哌_(dá) 1.5H 的電感負(fù)載進(jìn)行充磁和消磁。在 P - 開關(guān)或 N - 開關(guān)模式下，器件內(nèi)部電路能夠?qū)崿F(xiàn)快速消磁。在 P - 開關(guān)配置中，當(dāng) OUT 引腳被驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，負(fù)載電感 L 被充磁；當(dāng) PNP 關(guān)閉時(shí)，OUT 引腳會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)電感反沖，該電壓會(huì)被內(nèi)部鉗位在約 - 75V。同樣，在 N - 開關(guān)配置中，當(dāng) OUT 引腳被驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，負(fù)載電感 L 被充磁；當(dāng) NPN 關(guān)閉時(shí)，OUT 引腳會(huì)出現(xiàn)較大的正電感反沖，該電壓會(huì)被內(nèi)部鉗位在約 75V。

電源與布局建議

電源建議

TIOS101 和 TIOS101x 設(shè)計(jì)為在 VCC 端使用 24V 標(biāo)稱電源，該電源可在標(biāo)稱值的基礎(chǔ)上上下浮動(dòng)，以保持在器件推薦的 7V 至 36V 電源電壓范圍內(nèi)。為了穩(wěn)定電源，建議使用至少 100nF/100V 的電容進(jìn)行緩沖。

布局指南

在 PCB 布局方面，推薦使用 4 層板以實(shí)現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)。頂層用于控制信號(hào)，第二層作為 GND 層，第三層用于 24V 電源平面（VCC），第四層用于調(diào)節(jié)后的輸出電源（VCC_IN/OUT）。將散熱焊盤通過盡可能多的熱過孔連接到 GND，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱性能。使用完整的平面來連接 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以確保最小的電感。VCC 端子必須使用低 ESR 陶瓷去耦電容進(jìn)行去耦，電容值最小為 100nF，電壓額定值最小為 50V（根據(jù)最大傳感器電源故障額定值可能需要 100V），并使用 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。

TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器以其豐富的特性、強(qiáng)大的保護(hù)功能和靈活的配置能力，為工業(yè)傳感器等應(yīng)用提供了可靠的解決方案。工程師在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇器件，并注意電源和布局等方面的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。希望本文能對(duì)大家的設(shè)計(jì)工作有所幫助。