具有集成浪涌保護(hù)功能的小封裝 TIOS102 和 TIOS102x 數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器

在工業(yè)傳感器領(lǐng)域，一款性能出色的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器能為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。TIOS102 和 TIOS102x 數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器就是這樣一款值得關(guān)注的產(chǎn)品，它具備多種特性和功能，能滿足不同的應(yīng)用需求。下面我們就來詳細(xì)了解一下。

文件下載：tios1025.pdf

產(chǎn)品特性與應(yīng)用

產(chǎn)品特性

• 寬電源運(yùn)行：TIOS102 和 TIOS1023 的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 的電源電壓范圍為 7V 至 36V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 可配置輸出：支持 PNP、NPN 或推挽可配置輸出，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。
• 集成保護(hù)功能：集成了反向極性保護(hù)、EMC 保護(hù)等功能，能有效保護(hù)器件免受過壓、過流和過熱等情況的影響，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 小封裝設(shè)計(jì)：提供 3mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝和 2.45 mm x 1.7 mm DSBGA 封裝等小型封裝選項(xiàng)，節(jié)省空間，便于集成到各種設(shè)備中。

應(yīng)用場(chǎng)景

該驅(qū)動(dòng)器適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如接近開關(guān)、電容式和電感式傳感器、傳動(dòng)器以及數(shù)字輸出等。

產(chǎn)品詳細(xì)說明

功能安全設(shè)計(jì)

TIOS102(x) 器件能夠承受高達(dá) 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，并且集成了反向極性保護(hù)功能，同時(shí)還提供有助于進(jìn)行功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文檔，為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了保障。

電氣性能提升

與 TIOS101(x) 引腳兼容，并在性能上有所提升。例如在 200mA 條件下，殘余電壓低至 0.5V（典型值）；提供驅(qū)動(dòng)器電流限制能力，改善了封裝的熱性能；更低的驅(qū)動(dòng)器壓擺率，可減少過沖（最大 750ns）。

輸出電流配置

通過一個(gè)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，可配置驅(qū)動(dòng)器過流限制范圍為 50mA 至 350mA。

故障報(bào)告與保護(hù)

提供故障報(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)發(fā)出指示信號(hào)，方便工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

集成式 LDO 選項(xiàng)

TIOS1023 和 TIOS1025 分別集成了 3.3V 和 5V 的 LDO，可支持高達(dá) 20mA 的電流，為外部組件提供穩(wěn)定的電源。TIOS1023L 還提供可選的 3.3V/5V LDO 輸出，可通過 VSEL 引腳進(jìn)行配置。

產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

• 電壓范圍：VCC 和 OUT 的穩(wěn)態(tài)電壓范圍為 - 65V 至 65V，瞬態(tài)脈沖寬度 < 100 μs 時(shí)的電壓范圍為 - 70V 至 70V。
• 其他參數(shù)：邏輯電源電壓、輸入邏輯電壓、輸出電流等都有相應(yīng)的限制范圍，超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

ESD 評(píng)級(jí)

該器件具有良好的 ESD 防護(hù)能力，人體模型（HBM）下所有引腳的靜電放電電壓為 ±4000V，充電設(shè)備模型（CDM）下為 ±750V。同時(shí)，在 IEC 標(biāo)準(zhǔn)下，VCC、OUT 和 GND 引腳的 ESD 接觸放電為 ±8000V，電氣快速瞬變（EFT）為 ±4000V，浪涌為 ±1200V。

推薦工作條件

• 電源電壓：TIOS102、TIOS1023 和 TIO1023L（3.3V 輸出）的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 和 TIOS1023L（5V 輸出）為 7V 至 36V。
• 其他參數(shù)：邏輯電平輸入電壓、外部電阻、數(shù)據(jù)速率、LDO 輸出電流等都有相應(yīng)的推薦值，在這些條件下工作能保證器件的性能和可靠性。

熱性能信息

不同封裝的器件在熱性能上有所差異，例如 TIOS102、TIOS1023 和 TIOS1025 DRC（10 引腳）的結(jié)到環(huán)境熱阻為 45.9°C/W，而 TIOS102 和 TIOS1023L YAH（12 引腳）為 79.3°C/W。

電氣特性

在不同的測(cè)試條件下，器件的電源電流、輸入輸出電壓、電阻等參數(shù)都有相應(yīng)的數(shù)值范圍，這些參數(shù)是工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的重要依據(jù)。

開關(guān)特性

驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲、使能延遲、禁用延遲、輸出上升和下降時(shí)間等開關(guān)特性也有明確的規(guī)定，這些特性影響著器件的響應(yīng)速度和信號(hào)質(zhì)量。

產(chǎn)品功能特性

電流限制配置

輸出電流可通過 ILIM_ADJ 引腳的外部電阻進(jìn)行配置。當(dāng)外部電阻為 10 kΩ 時(shí)，在工作溫度和電壓范圍內(nèi)可設(shè)置最小 300 mA 的電流限制。將 ILIM_ADJ 引腳浮空可禁用輸出因電流故障而關(guān)閉和電流故障自動(dòng)恢復(fù)功能，但電流故障指示仍然有效，這在驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載時(shí)非常有用。當(dāng) ILIM_ADJ 引腳接地時(shí)，TIOS102(x) 可配置為源或吸收最小 500 mA 的電流，此時(shí)電流故障指示和輸出禁用及自動(dòng)恢復(fù)功能均被禁用。

電流故障檢測(cè)、指示與自動(dòng)恢復(fù)

當(dāng) OUT 引腳的輸出電流超過內(nèi)部設(shè)定的電流限制 $I{O(LIM)}$ 且持續(xù)時(shí)間超過 $t{sc}$ 時(shí)，NFAULT 引腳將被驅(qū)動(dòng)為邏輯低電平，以指示故障狀態(tài)。此時(shí)輸出將關(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 或 GND 可禁用電流故障自動(dòng)恢復(fù)模式，切換 EN 引腳可清除 NFAULT 信號(hào)。

熱警告與熱關(guān)斷

當(dāng)芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時(shí)，NFAULT 標(biāo)志將保持低電平，指示可能存在過熱問題。當(dāng) $T{J}$ 超過 $T{(SDN)}$ 時(shí)，輸出將被禁用，但 LDO 仍保持工作。當(dāng)溫度下降到溫度閾值以下（經(jīng)過 $T{(HYS)}$ 后），內(nèi)部電路將根據(jù) EN 和 IN 引腳的狀態(tài)重新啟用驅(qū)動(dòng)器。

故障報(bào)告（NFAULT）

當(dāng)檢測(cè)到電流故障、芯片溫度超過 $T_{(WRN)}$ 或電源電壓下降到 UVLO 閾值以下時(shí)，NFAULT 引腳將被拉低。當(dāng)所有三個(gè)故障條件都清除后，NFAULT 引腳將恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。

設(shè)備功能模式

• NPN 配置（N - 開關(guān)模式）：將 IN 引腳設(shè)置為高電平（或浮空），使用 EN 引腳作為控制信號(hào)，可在 OUT 引腳實(shí)現(xiàn) N - 開關(guān)（低側(cè)配置）的功能。
• PNP 配置（P - 開關(guān)模式）：將 IN 引腳設(shè)置為低電平，使用 EN 引腳作為控制信號(hào)，可在 OUT 引腳實(shí)現(xiàn) P - 開關(guān)（高側(cè)配置）的功能。
• 推挽模式：將 EN 引腳設(shè)置為高電平，通過切換 IN 引腳作為控制信號(hào)，可在 OUT 引腳實(shí)現(xiàn)推挽輸出的功能。

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，需要根據(jù)具體需求選擇合適的器件和參數(shù)。例如，輸入電壓范圍、輸出電流、輸出電壓、LDO 輸出電流、上拉電阻、去耦電容等都需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

• 最高結(jié)溫檢查：在設(shè)計(jì)過程中，需要計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的功耗和結(jié)溫，以確保結(jié)溫不超過建議的最大值。通過計(jì)算驅(qū)動(dòng)器輸出電流限制、開關(guān)壓降、LDO 功耗等參數(shù)，結(jié)合結(jié)至環(huán)境熱阻，可得到結(jié)溫和環(huán)境溫度之間的差值，進(jìn)而計(jì)算出最終結(jié)溫。只要結(jié)溫低于 150°C，就不會(huì)發(fā)生熱關(guān)斷，但如果結(jié)溫接近 $T_{WRN}$，則可能會(huì)生成熱警告。
• 驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載：該器件能夠驅(qū)動(dòng) OUT 輸出上的容性負(fù)載。在假設(shè)純?nèi)菪载?fù)載且無串聯(lián)/并聯(lián)電阻的情況下，可通過公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 計(jì)算不觸發(fā)電流故障時(shí)可充電的最大電容值。為了驅(qū)動(dòng)更高的容性負(fù)載并避免過流情況導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器禁用，建議將 ILIM_ADJ 引腳浮空，或者在輸出和負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)電阻。
• 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載：TIOS102(x) 系列能夠?qū)Υ箅姼胸?fù)載進(jìn)行磁化和消磁。在 P - 開關(guān)或 N - 開關(guān)模式下，器件內(nèi)部電路可實(shí)現(xiàn)快速消磁。在 P - 開關(guān)配置中，當(dāng) OUT 引腳驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，負(fù)載電感 L 被磁化，當(dāng) PNP 關(guān)斷時(shí)，OUT 引腳會(huì)出現(xiàn)約 - 15V 的負(fù)電感反沖電壓，該電壓會(huì)被內(nèi)部鉗位。在 N - 開關(guān)配置中，當(dāng) OUT 引腳驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，負(fù)載電感 L 被磁化，當(dāng) NPN 關(guān)斷時(shí)，OUT 引腳會(huì)出現(xiàn)約 15V 的正電感反沖電壓，同樣會(huì)被內(nèi)部鉗位。

布局與設(shè)計(jì)建議

布局指南

• 電路板選擇：建議使用 4 層電路板，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），第四層用于穩(wěn)壓輸出電源（VCC_IN/OUT）。
• 熱性能優(yōu)化：將散熱焊盤通過盡可能多的熱過孔連接到 GND，以獲得最佳的熱性能。使用完整的平面來布置 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以確保最小的電感。
• 電容配置：VCC 端子必須通過一個(gè)低 ESR 的陶瓷去耦電容連接到地，電容值最小為 100 nF，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），且應(yīng)采用 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。電容應(yīng)盡可能靠近 VCC 和 GND 端子，以減少大電源電流負(fù)載時(shí)的電源壓降。同時(shí)，將穩(wěn)壓輸出電壓 VCC_IN/OUT 通過一個(gè)低 ESR、1 μF 的陶瓷去耦電容連接到地，電容的電壓額定值最小為 10V，電介質(zhì)為 X5R 或 X7R。
• 電阻連接：將所有開漏控制輸出通過 10 kΩ 上拉電阻連接到 VCCIN/OUT 平面，為系統(tǒng)控制器輸入提供確定的電壓電位。將 $R{SET}$ 電阻連接在 ILIM_ADJ 和 GND 之間。

電源供應(yīng)建議

TIOS102 和 TIOS102x 設(shè)計(jì)為在 VCC 端使用標(biāo)稱 24V 的電源供電，但可在 7V 至 36V（TIOS1025）或 4.75V 至 36V（TIOS102、TIOS1023）的電源電壓范圍內(nèi)工作。該電源應(yīng)使用至少一個(gè) 100 - nF/100 - V 的電容進(jìn)行緩沖。

總結(jié)

TIOS102 和 TIOS102x 數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器憑借其豐富的特性、出色的性能和良好的保護(hù)功能，為工業(yè)傳感器應(yīng)用提供了一個(gè)可靠的解決方案。在使用過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件、配置參數(shù)，并注意布局和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似器件的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。