【導讀】在傳感器技術領域，IO-Link是全球首個傳感器和致動器標準化輸入輸出通信技術(IEC 61131-9)，因此，我們認為該標準可能被選為工業(yè)4.0標準通信接口。
1.前言
今天在全球范圍內(nèi)以應用智能信息、通信技術和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)重新定義制造業(yè)的工業(yè)革命正在逐漸形成，德國政府稱之為:“工業(yè)4.0”。
“工業(yè)4.0”的基本原則是通過連接機器、工件和控制系統(tǒng)，在整個價值鏈上下游之間構建自動互控的智能網(wǎng)絡。通過整合信息通信、傳感器和機器人技術構建物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)4.0概念可提高工業(yè)制造的智能化水平。
在傳感器技術領域，IO-Link是全球首個傳感器和致動器標準化輸入輸出通信技術(IEC 61131-9)，因此，我們認為該標準可能被選為工業(yè)4.0標準通信接口。
這種強大的點對點通信基于成熟的傳感器和致動器三線通信技術，對線材沒有任何額外的要求。因此，IO-Link不是Fieldbus現(xiàn)場總線技術，而是現(xiàn)有的成熟的傳感器和致動器通信技術的升級進化。
意法半導體的L6362A雖然是專為兼容IO-Link通信協(xié)議和工業(yè)4.0專門設計，但是仍然可用作標準通用收發(fā)器。
圖1：L6362A DFN 3x3 12L微型封裝
這款產(chǎn)品是一個三線數(shù)字接口傳感器驅動解決方案，具有高能效、尺寸緊湊、價格親民的特點，可滿足現(xiàn)代傳感器和致動器的全部要求：遠程服務、標準化、功能驗證、診斷和監(jiān)視。
本文將主要介紹L6362A產(chǎn)品，重點描述產(chǎn)品特性、優(yōu)點和工作方式。
2.L6362A產(chǎn)品特性和優(yōu)點
產(chǎn)品特性
如圖2所示，L6362A單片集成3.3V/5V線性穩(wěn)壓器；SEL引腳具有輸出電壓選擇功能；最大輸出電流12mA。穩(wěn)壓器還驅動內(nèi)部邏輯單元，通過邏輯單元中的透傳接口，驅動導通電阻Rds(on)極低的片上輸出級(典型值1Ω)。通過IN1和IN2兩個引腳的電平可以配置輸出級(高低邊)，同時器件外部連接OUTH和OUTL可實現(xiàn)推挽配置。當EN引腳置低邏輯電平時，輸出級關閉。電感在高邊配置下實現(xiàn)快速去磁；在推挽配置中，因為低邊開關導通，所以慢速去磁有效。輸出級高速傳輸性能使通信速度達到COM3(230.4 kbps)水平。
圖2：L6362A框圖
該產(chǎn)品有自我保護功能：截止限流(不耗散短路保護)、過熱關斷、主動電壓鉗位、右側引腳極性接返保護、欠壓鎖保護和EN60947-5-2和IEC61000-4-5標準電涌保護。所謂的不耗散短路保護是一項創(chuàng)新的電路專利技術，當輸出級對地短路時可最大限度降低耗散功率；在多數(shù)情況下可避免過熱關斷干預。
圖3：芯片截止時的電流特性
圖4：在截止周期后過熱關斷干預
EN(過熱關斷)和OL(限流)兩個引腳可實現(xiàn)診斷功能，主微控制器還可通過OL引腳檢測IO-Link喚醒請求事件。
產(chǎn)品優(yōu)點
L6362A的Rds(on)導通電阻在同級別產(chǎn)品中最低，不足主要競爭產(chǎn)品的十分之一，這有助于降低總功率損耗，取得極低的耗散功率，可插在高度數(shù)IP模塊插槽內(nèi)，沒有任何過熱問題。
芯片為設計人員提供一個透傳接口，便于開發(fā)簡易經(jīng)濟的通信解決方案，高達COM3的寬傳輸速速率范圍為高頻通信提供保證。
L6362A適用于開發(fā)IO-link應用以及通用收發(fā)器或簡單的線路驅動器，其多用途特性是該產(chǎn)品的一個重要優(yōu)點，例如，“jolly”能夠勝過任何插槽。此外，與輸出級連接非常簡易，靈活性和定制程度俱佳。
該產(chǎn)品具有出色的全方位保護功能、高可靠性和經(jīng)久的耐用性。
3.驅動電容和電感負載
STEVAL-IFP017V3(圖5) 是意法半導體開發(fā)的L6362A專用評估板，為客戶測試該產(chǎn)品的工作性能提供一個簡單的應用工具。下面我們使用該評估板分析L6362A產(chǎn)品對大電容和大電感負載的驅動能力。
圖5：STEVAL-IFP017V3演示板，用于測試L6362A的阻容和電感負載驅動能力
為阻容負載充電
在環(huán)境溫度Ta=25°C時，使用芯片的高邊、低邊、推挽三種配置，給一個并聯(lián)100Ω電阻的25µF阻容負載充電，Vcc電壓在18V至30V之間。
當使用L6362A給一個大電容充電時，主要風險是截止保護功能可能會關閉輸出級。當發(fā)生這種現(xiàn)象時，通過并聯(lián)電阻給電容充電。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，必須使用時長小于截止時間的脈沖串來驅動輸入級(圖6)。
圖6：阻容充電波形
圖6所示是用Vcc=24V電壓和兩個3.5ms時長的脈沖信號給L6362A所連的阻容負載充電(綠線代表Vin,紅線代表Vload，藍線代表Iload)。
如果Vcc=30V，則需要使用三個脈沖信號才能達到相同的結果。當驅動高于25µF的電容時，必須增加脈沖信號數(shù)量。
大電感去磁
在一個大電感反復去磁過程中，必須考慮兩個主要風險：1.電感放電產(chǎn)生的巨大電能可能導致器件燒損或燒毀；2.功率級結溫升高過快可能觸發(fā)器件本身的過熱關斷功能。
為測試是芯片在去磁時否正常工作，使用STEVAL-IFP017V3評估板驅動一個1.9H的大電感，芯片外部不連接任何續(xù)流二極管。測試條件:Vcc=24V, Tamb=25°C, 輸出電流300mA, 頻率 2Hz，占空比50%，推挽配置。測試用的散熱盤為5mm2。
實驗未發(fā)現(xiàn)異常：封裝溫度最高值達到39.6°C。然后在Tamb=105°C下重復測試，驗證是否發(fā)生過熱關斷。
圖7：1.9H電感去磁；Iout=300mA, Tamb=105°C
圖7所示是充電波形(綠線代表Vin；紅線代表Vload；藍線代表Iload)。
4.結論
L6362A是連接數(shù)字傳感器和致動器的理想收發(fā)器，其智能化程度足以實現(xiàn)兼容IO-Link通信協(xié)議的復雜解決方案，同時還是一個簡易的通用I/O系統(tǒng)解決方案。
該產(chǎn)品具有諸多優(yōu)點，例如，業(yè)內(nèi)最低的Rds(on)電阻，DFN微型封裝，市場上最高的功率級，超大電容和電感驅動能力，較低的產(chǎn)品價格。
參考文獻
(1)L6362A數(shù)據(jù)手冊
(2)AN4828 - (STEVAL-IFP017V3 IO-Link和SIO模式L6362A收發(fā)器評估板)
作者：Giuseppe Di Stefano, Michelangelo Marchese 意法半導體(ST)
