采用小型封裝且具有低殘余電壓和集成浪涌保護(hù)功能的 TIOL112 和 TIOL112x IO-Link 器件收發(fā)器

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，可靠的通信和高效的信號(hào)處理至關(guān)重要。TIOL112 和 TIOL112x 系列 IO-Link 器件收發(fā)器憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為了工程師們的理想選擇。今天，我們就來深入探討一下這款收發(fā)器的各項(xiàng)特點(diǎn)和應(yīng)用。

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一、特性亮點(diǎn)

1. 電源與輸出配置靈活

該系列收發(fā)器支持 7V 至 36V 的電源電壓，輸出可配置為 PNP、NPN 或 IO-Link 模式，還支持 IEC 61131 - 9 COM1、COM2 和 COM3 數(shù)據(jù)速率，并且具備功能安全型設(shè)計(jì)，能提供用于功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文檔。

2. 性能提升顯著

與 TIOL111(x) 引腳兼容，但性能有了大幅提升。在 200mA 條件下，殘余電壓低至 0.5V（典型值），有效驅(qū)動(dòng)器電流限制能力出色，封裝的熱性能也得到改善，驅(qū)動(dòng)器壓擺率更低，最大 750ns，可減少過沖，使系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

3. 集成保護(hù)特性強(qiáng)大

具有可配置驅(qū)動(dòng)器過流限制，范圍為 50mA 至 350mA，還集成了多種保護(hù)功能，如 L +、CQ 和 L - 上高達(dá) 65V 的有效反極性保護(hù)，過流、過熱和 UVLO 的故障指示燈，電感性負(fù)載的安全快速消磁功能等。同時(shí)，工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C 至 125°C，L + 和 CQ 上集成了 EMC 保護(hù)，能承受 ±8kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電、±4kV IEC 61000 - 4 - 4 電氣快速瞬變和 ±1.2kV/500Ω IEC 61000 - 4 - 5 浪涌。

二、應(yīng)用場景廣泛

TIOL112(x) 系列收發(fā)器適用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，包括現(xiàn)場發(fā)送器和執(zhí)行器、工廠自動(dòng)化、過程自動(dòng)化以及遠(yuǎn)程 IO 中的 IO - Link PHY 等。在這些應(yīng)用中，它能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)雙向點(diǎn)到點(diǎn)通信，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

三、詳細(xì)說明

1. 通信原理

TIOL112(x) 系列收發(fā)器通過三線制接口連接至 IO - Link 主器件時(shí)，主器件可發(fā)起通信并與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，此時(shí)它作為完整的物理層。其內(nèi)部接收器能將 CQ 線上的 24V 信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，通過簡單的并行接口與本地控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的收發(fā)。

2. 保護(hù)功能

該系列器件能承受高達(dá) 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，集成反向極性保護(hù)功能。只需通過簡單的引腳可編程接口，就能輕松連接到控制器電路，還可使用外部電阻器配置輸出電流限值。此外，針對欠壓、過流和過熱情況，提供了故障報(bào)告和內(nèi)部保護(hù)功能。

3. 封裝與配置

提供多種封裝選項(xiàng)，如 3mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝和 2.45mm x 1.7mm DSBGA 封裝，節(jié)省空間且與 TIOL111 引腳兼容。部分型號(hào)還集成了 LDO 選項(xiàng)，可支持高達(dá) 20mA 的電流，如 TIOL1123 提供 3.3V LDO，TIOL1125 提供 5V LDO，TIOL1123L (YAH) 還可通過 VSEL 引腳配置為 3.3V 或 5V 輸出。

四、參數(shù)規(guī)格

1. 絕對最大額定值

涵蓋了電源電壓、輸入邏輯電壓、輸出電流、存儲(chǔ)溫度等多個(gè)參數(shù)的極限值，操作超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久損壞。例如，L + 和 CQ 的穩(wěn)態(tài)電壓范圍為 - 65V 至 65V，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 55°C 至 170°C。

2. ESD 評級

包括人體模型 (HBM)、帶電設(shè)備模型 (CDM) 和 IEC 規(guī)格的 ESD 評級，確保器件在靜電環(huán)境下的可靠性。如所有引腳的 HBM 為 ±4000V，CDM 為 ±750V，IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接觸放電 L +、CQ 和 L - 為 ±8000V。

3. 推薦工作條件

規(guī)定了輸入電壓范圍、輸出電流、LDO 輸出電壓和電流等參數(shù)的推薦值，以保證器件的正常工作。例如，L + 的輸入電壓范圍為 7V 至 36V，CQ 的輸出電流可根據(jù)需求選擇合適的限制值。

4. 熱信息

提供了不同封裝的熱阻參數(shù)，如 TIOL112、TIOL1123、TIOL1125 DRC (10 引腳) 的結(jié)到環(huán)境熱阻為 45.9°C/W，結(jié)到板熱阻為 17.9°C/W，有助于工程師進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

5. 電氣特性

詳細(xì)列出了電源、邏輯輸入、控制輸出、驅(qū)動(dòng)器輸出和接收器輸入等方面的電氣參數(shù)，如電源的靜態(tài)電流、輸入邏輯電壓、輸出邏輯電壓等。例如，EN = LOW 且無負(fù)載時(shí)，L + 的靜態(tài)電流為 1mA 至 1.5mA。

6. 開關(guān)特性

包括驅(qū)動(dòng)器和接收器的傳播延遲、上升和下降時(shí)間、喚醒識(shí)別時(shí)間等參數(shù)，反映了器件的開關(guān)性能。如驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲典型值為 600ns 至 1200ns。

7. 典型特性

通過圖表展示了電源電流與電源電壓、殘余電壓與負(fù)載電流、電流限制與 $R_{SET}$ 等關(guān)系，為工程師的設(shè)計(jì)提供參考。

五、功能特性詳解

1. 喚醒檢測

TIOL112(x) 可工作在 IO - Link 模式或標(biāo)準(zhǔn)輸入 / 輸出 (SIO) 模式。在 SIO 模式下，IO - link 主節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信時(shí)，TIOL112(x) 能檢測到喚醒條件，并通過 WAKE 引腳通知本地微控制器。對于不同的 EN 和 TX 狀態(tài)以及 CQ 電流變化，有相應(yīng)的喚醒檢測規(guī)則。

2. 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。不同的電阻連接方式會(huì)影響電流限制、故障指示和自動(dòng)恢復(fù)功能。例如，連接 10kΩ 至 110kΩ 電阻時(shí)，電流限制可變；ILIM_ADJ 引腳浮空時(shí)，可用于驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載；短接至地時(shí)，可用于 IO - link 主模式。

3. 電流故障檢測與恢復(fù)

當(dāng) CQ 輸出電流超過內(nèi)部設(shè)定的電流限制且持續(xù)時(shí)間超過 $t_{sc}$ 時(shí)，NFAULT 引腳會(huì)指示故障，輸出關(guān)閉但 LDO 仍正常工作。輸出會(huì)周期性重試，以檢查是否仍存在過流情況。通過設(shè)置 ILIM_ADJ = OPEN 可禁用電流故障自動(dòng)恢復(fù)功能。

4. 熱警告與熱關(guān)斷

當(dāng)芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時(shí)，NFAULT 標(biāo)志會(huì)指示潛在的過熱問題；超過 $T{(SDN)}$ 時(shí)，輸出會(huì)被禁用，但 LDO 保持運(yùn)行。溫度下降到閾值以下并經(jīng)過熱滯回時(shí)間后，內(nèi)部電路會(huì)重新啟用驅(qū)動(dòng)器。

5. 故障報(bào)告

NFAULT 引腳在檢測到電流故障、芯片溫度超過 $T_{(WRN)}$ 或電源電壓低于 UVLO 閾值時(shí)會(huì)被拉低，故障條件消除后恢復(fù)高阻抗。

6. 收發(fā)器功能表

詳細(xì)列出了驅(qū)動(dòng)器、接收器、喚醒和電流限制指示等功能的輸入輸出關(guān)系，方便工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和調(diào)試。

7. 集成電壓調(diào)節(jié)器 (LDO)

TIOL1123 和 TIOL1125 集成了 LDO，可在 7V 至 36V 的 L + 電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 20mA 的電流。TIOL1123L 在 DSBGA (YAH) 封裝中可通過 VSEL 引腳配置 LDO 輸出為 3.3V 或 5V。LDO 設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容，以確保穩(wěn)定性。

8. 反向極性保護(hù)

保護(hù)電路可防止 L +、CQ 和 L - 引腳的意外反極性連接，最大引腳間電壓不超過 65V DC。

9. 集成浪涌保護(hù)和瞬態(tài)波形耐受能力

L + 和 CQ 引腳能承受高達(dá) 1.2kV 的 1.2/50 – 8/20 μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，外部 TVS 二極管可用于更高的瞬態(tài)保護(hù)。器件還能承受高達(dá) ±70V 的瞬態(tài)脈沖。

10. 上電順序和欠壓鎖定 (UVLO)

VCC_IN 和 L + 域可按任意順序上電，L + 上電而 VCCIN 未上電時(shí)，CQ 引腳保持高阻抗。當(dāng) L + 電壓低于 $V{(UVLO)}$ 時(shí)，器件進(jìn)入 UVLO 狀態(tài)，NFAULT 引腳拉低，驅(qū)動(dòng)器禁用；電壓恢復(fù)后，經(jīng)過一定延遲，CQ 輸出開啟。

六、設(shè)備功能模式

1. NPN 配置 (N - 開關(guān) SIO 模式)

將 TX 引腳置高或浮空，使用 EN 引腳控制 CQ 實(shí)現(xiàn) N - 開關(guān)功能。

2. PNP 配置 (P - 開關(guān) SIO 模式)

將 TX 引腳置低，使用 EN 引腳控制 CQ 實(shí)現(xiàn) P - 開關(guān)功能。

3. 推挽通信模式

將 EN 引腳置高，通過切換 TX 引腳控制 CQ 實(shí)現(xiàn)推挽輸出功能。

七、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

TIOL112 和 TIOL112x IO - Link 收發(fā)器可用于 IO - Link 協(xié)議通信，也可作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出，驅(qū)動(dòng)各種傳感器和負(fù)載。在典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮輸入電壓范圍、輸出電流、LDO 輸出電壓和電流等參數(shù)，選擇合適的器件和組件。

2. 設(shè)計(jì)要求與參數(shù)計(jì)算

以一個(gè)典型設(shè)計(jì)為例，輸入電壓范圍為 24V（典型值）、30V（最大值），輸出電流為 200mA，可選擇 250mA 電流限制，$R_{SET}$ 為 27kΩ。通過計(jì)算功率消耗和熱阻，可確定芯片的結(jié)溫，確保不超過推薦的最大值。

3. 驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力

驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載

可根據(jù)公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(L+)}}$ 計(jì)算能充電而不觸發(fā)電流故障的最大電容值。為避免過流，可將 ILIM_ADJ 引腳浮空或在 CQ 輸出與負(fù)載之間串聯(lián)電阻。

驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載

TIOL112(x) 系列能對大電感負(fù)載進(jìn)行充磁和消磁。在 P - 開關(guān)和 N - 開關(guān)配置中，能安全鉗位電感反沖電壓。可根據(jù)公式 $R=frac{V{(L+)}}{I{O(LIM)}}$ 計(jì)算電阻負(fù)載的最小值。

4. 應(yīng)用曲線

提供了 CQ 在電流故障自動(dòng)恢復(fù)、驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載和電容負(fù)載等情況下的應(yīng)用曲線，幫助工程師更好地理解和設(shè)計(jì)電路。

5. 電源供應(yīng)建議

TIOL112 和 TIOL112x 收發(fā)器設(shè)計(jì)工作在 24V 標(biāo)稱電源下，電源電壓范圍為 7V 至 36V，建議使用至少 100nF/100V 的電容進(jìn)行緩沖。

6. 布局指南

推薦使用 4 層電路板，合理分配各層功能，如頂層用于控制信號(hào)，第二層作為 L - 的電源接地層，第三層用于 24V 電源平面，第四層用于調(diào)節(jié)后的輸出電源。同時(shí)，要注意電容的放置、電阻的連接和布線等，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。

八、設(shè)備與文檔支持

1. 文檔更新通知

可在 ti.com 上的器件產(chǎn)品文件夾中注冊，接收文檔更新通知，查看修訂歷史以了解詳細(xì)變更信息。

2. 支持資源

TI E2E? 支持論壇是獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助的重要途徑，但需注意鏈接內(nèi)容的相關(guān)規(guī)定。

3. 靜電放電警告

靜電放電可能損壞集成電路，需采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施處理器件，避免因 ESD 導(dǎo)致性能降級或器件故障。

4. 術(shù)語表

TI 術(shù)語表列出并解釋了相關(guān)術(shù)語、首字母縮略詞和定義，方便工程師理解文檔內(nèi)容。

九、機(jī)械、封裝和可訂購信息

提供了不同型號(hào)的封裝、引腳、包裝數(shù)量、載體、RoHS 合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL 評級/峰值回流溫度、工作溫度和部件標(biāo)記等信息，以及封裝外形、示例電路板布局、示例模板設(shè)計(jì)和包裝材料信息等，幫助工程師進(jìn)行器件選型和采購。

TIOL112 和 TIOL112x 系列 IO - Link 器件收發(fā)器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場景和完善的支持文檔，為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信和信號(hào)處理提供了可靠的解決方案。工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)具體需求合理選擇器件和配置參數(shù)，注意布局和散熱設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用這款收發(fā)器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。