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IO-Link和SIO模式收发器将推动传感器技术领域的工业4.0革命

发布时间:2018-10-19 责任编辑:xueqi

【导读】在传感器技术领域,IO-Link是全球首个传感器和致动器标准化输入输出通信技术(IEC 61131-9),因此,我们认为该标准可能被选为工业4.0标准通信接口。
 
1.前言
 
今天在全球范围内以应用智能信息、通信技术和物联网(IoT)重新定义制造业的工业革命正在逐渐形成,德国政府称之为:“工业4.0”。
 
 
“工业4.0”的基本原则是通过连接机器、工件和控制系统,在整个价值链上下游之间构建自动互控的智能网络。通过整合信息通信、传感器和机器人技术构建物联网,工业4.0概念可提高工业制造的智能化水平。
 
在传感器技术领域,IO-Link是全球首个传感器和致动器标准化输入输出通信技术(IEC 61131-9),因此,我们认为该标准可能被选为工业4.0标准通信接口。
 
这种强大的点对点通信基于成熟的传感器和致动器三线通信技术,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,而是现有的成熟的传感器和致动器通信技术的升级进化。
 
意法半导体的L6362A虽然是专为兼容IO-Link通信协议和工业4.0专门设计,但是仍然可用作标准通用收发器。
 
图1:L6362A DFN 3x3 12L微型封装
 
这款产品是一个三线数字接口传感器驱动解决方案,具有高能效、尺寸紧凑、价格亲民的特点,可满足现代传感器和致动器的全部要求:远程服务、标准化、功能验证、诊断和监视。
 
本文将主要介绍L6362A产品,重点描述产品特性、优点和工作方式。
 
2.L6362A产品特性和优点
 
产品特性
 
如图2所示,L6362A单片集成3.3V/5V线性稳压器;SEL引脚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单元,通过逻辑单元中的透传接口,驱动导通电阻Rds(on)极低的片上输出级(典型值1Ω)。通过IN1和IN2两个引脚的电平可以配置输出级(高低边),同时器件外部连接OUTH和OUTL可实现推挽配置。当EN引脚置低逻辑电平时,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信速度达到COM3(230.4 kbps)水平。
 
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、右侧引脚极性接返保护、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:芯片截止时的电流特性
 
图4:在截止周期后过热关断干预
 
EN(过热关断)和OL(限流)两个引脚可实现诊断功能,主微控制器还可通过OL引脚检测IO-Link唤醒请求事件。
 
产品优点
 
L6362A的Rds(on)导通电阻在同级别产品中最低,不足主要竞争产品的十分之一,这有助于降低总功率损耗,取得极低的耗散功率,可插在高度数IP模块插槽内,没有任何过热问题。
 
芯片为设计人员提供一个透传接口,便于开发简易经济的通信解决方案,高达COM3的宽传输速速率范围为高频通信提供保证。
 
L6362A适用于开发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,例如,“jolly”能够胜过任何插槽。此外,与输出级连接非常简易,灵活性和定制程度俱佳。
 
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。
 
3.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,为客户测试该产品的工作性能提供一个简单的应用工具。下面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演示板,用于测试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°C时,使用芯片的高边、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给一个大电容充电时,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,通过并联电阻给电容充电。为避免这种现象发生,必须使用时长小于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所示是用Vcc=24V电压和两个3.5ms时长的脉冲信号给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信号才能达到相同的结果。当驱动高于25µF的电容时,必须增加脉冲信号数量。
 
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器件烧损或烧毁;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。
 
为测试是芯片在去磁时否正常工作,使用STEVAL-IFP017V3评估板驱动一个1.9H的大电感,芯片外部不连接任何续流二极管。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。然后在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所示是充电波形(绿线代表Vin;红线代表Vload;蓝线代表Iload)。
 
4.结论
 
L6362A是连接数字传感器和致动器的理想收发器,其智能化程度足以实现兼容IO-Link通信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。
 
参考文献
 
(1)L6362A数据手册
(2)AN4828 - (STEVAL-IFP017V3 IO-Link和SIO模式L6362A收发器评估板)
 
作者:Giuseppe Di Stefano, Michelangelo Marchese  意法半导体(ST)
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