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)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能出色的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。TI 推出的 TIOS102 和 TIOS102x 系列數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器，憑借其集成的浪涌保護(hù)功能和小封裝設(shè)計(jì)，成為了眾多工程師的理想選擇。下面將對(duì)這款驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行詳細(xì)介紹。

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一、產(chǎn)品概述

特性亮點(diǎn)

• 寬電源運(yùn)行：TIOS102 和 TIOS1023 的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 則為 7V 至 36V，能夠適應(yīng)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，滿(mǎn)足多樣化的應(yīng)用需求。
• 集成保護(hù)功能：集成了 IEC 61000 - 4 - 4/5 EFT 和浪涌保護(hù)，能承受高達(dá) 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，還具備反向極性保護(hù)功能，可應(yīng)對(duì)欠壓、過(guò)流和過(guò)熱等情況。
• 小封裝設(shè)計(jì)：提供 3mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝（與 TIOS101 引腳兼容）和 2.45 mm x 1.7 mm DSBGA 封裝等節(jié)省空間的選項(xiàng)。

應(yīng)用領(lǐng)域

適用于接近開(kāi)關(guān)、電容式和電感式傳感器、傳動(dòng)器以及數(shù)字輸出等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、引腳配置與功能

不同封裝的引腳功能

• VSON 封裝：包含 VCC_IN、NFAULT、IN、EN、ILIM_ADJ 等引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，VCC_IN 用于 3.3 - V 或 5 - V 線性穩(wěn)壓器輸出，NFAULT 用于向微控制器輸出故障指示信號(hào)。
• DSBGA 封裝：引腳功能與 VSON 封裝類(lèi)似，但部分引腳的名稱(chēng)和配置有所不同。如 B3 引腳對(duì)應(yīng) VCC_IN 或 VCC_OUT 功能。

引腳功能詳解

• 電源相關(guān)引腳：VCC 為電源電壓輸入，VCC_IN/OUT 用于邏輯電源輸入或線性穩(wěn)壓器輸出，為外部組件提供穩(wěn)定的電源。
• 控制與信號(hào)引腳：IN 用于傳輸數(shù)據(jù)輸入，EN 用于驅(qū)動(dòng)使能輸入，NFAULT 用于故障指示輸出，方便工程師實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)。
• 電流限制引腳：ILIM_ADJ 用于通過(guò)連接外部電阻來(lái)配置輸出電流限值，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的靈活控制。

三、規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

• 電壓方面：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)為 - 70V 至 70V，電壓差 |V(VCC) – V(OUT)| 最大為 65V。
• 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)的最大額定值限制，超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久損壞。

ESD 評(píng)級(jí)

• 人體模型（HBM）：所有引腳的靜電放電耐受能力為 ±4000V。
• 充電器件模型（CDM）：所有引腳為 ±750V。同時(shí)，在 IEC 規(guī)格下，VCC、OUT 和 GND 引腳在不同測(cè)試條件下也有相應(yīng)的 ESD 耐受能力。

推薦工作條件

• 電源電壓：TIOS102、TIOS1023 和 TIO1023L（3.3V 輸出）的推薦電源電壓為 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、工作環(huán)境溫度和結(jié)溫等都有明確的推薦范圍。

熱信息

不同封裝的 TIOS102 和 TIOS102x 器件在熱性能方面有所差異，如結(jié)到環(huán)境熱阻、結(jié)到外殼熱阻等參數(shù)不同，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮。

電氣特性

涵蓋了電源靜態(tài)電流、邏輯輸入電壓、控制輸出電壓、驅(qū)動(dòng)器輸出電阻和電流等多個(gè)方面的電氣參數(shù)，這些參數(shù)在不同的測(cè)試條件下有相應(yīng)的典型值和范圍，為工程師提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)參考。

開(kāi)關(guān)特性

包括驅(qū)動(dòng)器傳播延遲、使能和禁用延遲、輸出上升和下降時(shí)間等參數(shù)，這些特性對(duì)于驅(qū)動(dòng)器在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。

四、詳細(xì)特性描述

電流限制配置

通過(guò)在 ILIM_ADJ 引腳連接外部電阻，可以靈活配置輸出電流限值。不同的電阻值對(duì)應(yīng)不同的電流限制范圍，并且可以根據(jù)需要選擇是否啟用輸出禁用和自動(dòng)恢復(fù)功能。例如，當(dāng) ILIM_ADJ 引腳連接 10 kΩ 至 110 kΩ 電阻時(shí)，輸出電流限制在 35 mA 至 300 mA 之間，且具備輸出禁用和自動(dòng)恢復(fù)功能；當(dāng) ILIM_ADJ 引腳接地時(shí)，可提供至少 500 mA 的電流，但輸出禁用和自動(dòng)恢復(fù)功能將被禁用。

電流故障檢測(cè)、指示與自動(dòng)恢復(fù)

當(dāng)輸出電流超過(guò)內(nèi)部設(shè)定的電流限值且持續(xù)時(shí)間超過(guò) tsc 時(shí)，NFAULT 引腳將被拉低以指示故障狀態(tài)，輸出將被關(guān)閉，但 LDO 仍繼續(xù)工作。輸出會(huì)周期性地重試，以檢查是否仍處于過(guò)流狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置 ILIM_ADJ 引腳為 OPEN 或 GND 可以禁用電流故障自動(dòng)恢復(fù)模式。

熱警告與熱關(guān)斷

當(dāng)芯片溫度超過(guò) $T{(WRN)}$ 時(shí)，NFAULT 標(biāo)志將被拉低，提示可能存在過(guò)熱問(wèn)題；當(dāng)結(jié)溫超過(guò) $T{(SDN)}$ 時(shí)，輸出將被禁用，但 LDO 仍可正常工作。當(dāng)溫度下降到閾值以下（經(jīng)過(guò) $T_{(HYS)}$ 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）

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

設(shè)備功能表

詳細(xì)列出了不同 EN 和 IN 輸入狀態(tài)下，OUT 引腳的輸出狀態(tài)和相應(yīng)的功能描述，幫助工程師理解和配置驅(qū)動(dòng)器的工作模式。

集成電壓調(diào)節(jié)器（LDO）

TIOS1023 和 TIOS1025 集成了線性電壓調(diào)節(jié)器（LDO），可為外部組件提供電源。LDO 輸出電壓可通過(guò) VSEL 引腳進(jìn)行配置，支持 3.3V 和 5V 兩種輸出選項(xiàng)，最大輸出電流可達(dá) 20 mA，并且在初始上電時(shí)，LDO 輸出電流限制為 35 mA，以限制涌入電流。

反向極性保護(hù)

該功能可保護(hù)器件免受 VCC、OUT 和 GND 引腳意外反接的影響，任何引腳之間的最大電壓不得超過(guò) 65V DC。

集成浪涌保護(hù)和瞬態(tài)波形耐受能力

VCC 和 OUT 引腳能夠承受高達(dá) 1.2 kV 的 1.2/50 – 8/20 μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，測(cè)試時(shí)需在 VCC 和 GND 之間連接至少 100 nF 的電源去耦電容，在 VCC_IN/OUT 和 GND 之間連接 1 μF 的電容。對(duì)于更高的瞬態(tài)保護(hù)要求，可能需要外部 TVS 二極管。

上電順序

VCC_IN 和 VCC 域可以按任意順序上電。當(dāng) VCC 上電而 VCC_IN 未上電時(shí)，OUT 引腳將保持高阻抗?fàn)顟B(tài)。

欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng) VCC 電壓低于 $V{(UVLO)}$ 時(shí)，器件將進(jìn)入 UVLO 狀態(tài)，NFAULT 引腳被拉低，LDO 關(guān)閉，OUT 輸出禁用（高阻抗）。當(dāng)電源電壓上升到 $V{(UVLO)}$ 以上時(shí)，NFAULT 將恢復(fù)為高阻抗（無(wú)其他故障條件下），LDO 將立即啟用，OUT 輸出將在 $T_{(UVLO)}$ 延遲后開(kāi)啟。

設(shè)備功能模式

• NPN 配置（N - 開(kāi)關(guān)模式）：將 IN 引腳設(shè)置為高電平（或開(kāi)路），使用 EN 引腳作為控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn) OUT 引腳的 N - 開(kāi)關(guān)功能（低側(cè)配置）。
• PNP 配置（P - 開(kāi)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)，可實(shí)現(xiàn) OUT 引腳的 P - 開(kāi)關(guān)功能（高側(cè)配置）。
• 推挽模式：將 EN 引腳設(shè)置為高電平，通過(guò)切換 IN 引腳的電平，可實(shí)現(xiàn) OUT 引腳的推挽輸出功能。

五、應(yīng)用信息

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)要求

在典型應(yīng)用中，需要考慮輸入電壓范圍、輸出電流、輸出電壓、LDO 輸出電流、上拉電阻、去耦電容等參數(shù)。例如，輸入電壓范圍推薦為 24V 至 30V（最大），輸出電流選擇 200mA 時(shí)，可通過(guò)選擇合適的 RSET 電阻（如 27kΩ）來(lái)設(shè)置電流限制。

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

最高結(jié)溫檢查

在設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)建議的最大值。例如，對(duì)于 200mA 電流限制，通過(guò)計(jì)算高側(cè)開(kāi)關(guān)的壓降和 LDO 輸出電流的功耗，得出總功率耗散，再結(jié)合結(jié)至環(huán)境熱阻計(jì)算出結(jié)溫與環(huán)境溫度的差值，最終得到結(jié)溫。只要結(jié)溫低于 150°C，就不會(huì)發(fā)生熱關(guān)斷，但如果接近 $T_{(WRN)}$，可能會(huì)產(chǎn)生熱警告。

驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載

TIOS102 和 TIOS102x 能夠驅(qū)動(dòng) OUT 輸出的容性負(fù)載。在假設(shè)純?nèi)菪载?fù)載（無(wú)串聯(lián)/并聯(lián)電阻）的情況下，可以通過(guò)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(guò)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

該系列驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)Υ箅姼胸?fù)載進(jìn)行磁化和消磁。在 P - 開(kāi)關(guān)或 N - 開(kāi)關(guān)模式下，內(nèi)部電路可實(shí)現(xiàn)快速消磁。在 P - 開(kāi)關(guān)配置中，OUT 引腳驅(qū)動(dòng)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，該電壓會(huì)被內(nèi)部鉗位。同理，在 N - 開(kāi)關(guān)配置中，OUT 引腳驅(qū)動(dòng)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，也會(huì)被內(nèi)部鉗位?？梢酝ㄟ^(guò)公式 $R=frac{V{(VCC)}}{I{O(LIM)}}$ 計(jì)算電阻性負(fù)載 R 的最小值。

應(yīng)用曲線

文檔中提供了多個(gè)應(yīng)用曲線，如 OUT 在電流故障自動(dòng)恢復(fù)時(shí)的低側(cè)和高側(cè)模式曲線、OUT 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)的高側(cè)和低側(cè)模式曲線以及 OUT 驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)的推挽模式曲線等，這些曲線直觀地展示了驅(qū)動(dòng)器在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)。

六、電源供應(yīng)與布局建議

電源供應(yīng)

TIOS102 和 TIOS102x 設(shè)計(jì)為在 VCC 端采用 24V 標(biāo)稱(chēng)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。建議使用至少 100 - nF/100 - V 的電容對(duì)電源進(jìn)行緩沖。

布局指南

• 電路板選擇：推薦使用 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，第三層作為 24 - V 電源平面（VCC），第四層作為穩(wěn)壓輸出電源平面（VCC_IN/OUT）。
• 熱性能優(yōu)化：將散熱墊通過(guò)盡可能多的熱過(guò)孔連接到 GND，以實(shí)現(xiàn)最佳的熱性能。使用完整的平面用于 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以確保最小的電感。
• 電容放置：在 VCC 端使用低 ESR 陶瓷去耦電容（最小 100 nF）進(jìn)行接地去耦，電容的額定電壓至少為 50V（根據(jù)最大傳感器電源故障額定值可能需要 100V），并采用 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。電容應(yīng)盡可能靠近 VCC 和 GND 端子放置，以減少大電源電流負(fù)載時(shí)的電源壓降。
• 其他連接：將所有開(kāi)漏控制輸出通過(guò) 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；在 VCC_IN/OUT 端使用低 ESR、1 μF 的陶瓷去耦電容進(jìn)行接地去耦，電容額定電壓至少為 10V，采用 X5R 或 X7R 電介質(zhì)。

七、設(shè)備與文檔支持

文檔更新通知

工程師可以導(dǎo)航至 ti.com 上的器件產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊“訂閱更新”進(jìn)行注冊(cè)，以每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。詳細(xì)的更改信息可查看修訂文檔中的修訂歷史記錄。

支持資源

TI E2E? 支持論壇是工程師獲取幫助的重要資源，可直接從專(zhuān)家處獲得快速、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助。

靜電放電警告

靜電放電（ESD）可能會(huì)損壞集成電路，德州儀器（TI）建議采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施處理所有集成電路，以避免因不正確的處理和安裝程序?qū)е缕骷p壞。

TIOS102 和 TIOS102x 系列數(shù)字傳感器輸出驅(qū)動(dòng)器憑借其豐富的功能和出色的性能，為工業(yè)傳感器應(yīng)用提供了可靠的解決方案。工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置引腳、選擇合適的工作模式，并注意電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到過(guò)類(lèi)似產(chǎn)品的一些特殊問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。