IO-Link和SIO模式收发器推动传感器领域工业4.0革命

　　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)