低功耗控制器與高DC電壓接口連接解決方案
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新一代的接口器件，被稱作數(shù)字輸入串行器 (DIS)，其在連接低功耗微控制器的同時(shí)能夠以最高能效方式對(duì)數(shù)字輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)范圍最低可達(dá)6Vdc，最高可達(dá)300 Vdc。
本文將介紹數(shù)字輸入串行器的工作原理及其低、中、高壓輸入信號(hào)的配置情況。
工作原理
為了更好地理解DIS的工作原理，我們以完整的接口設(shè)計(jì)為背景來對(duì)這種器件進(jìn)行研究（請(qǐng)參見圖 1）。一般而言，高壓總線為一組傳感器開關(guān)即 S0 – S7 供電，其開/關(guān)狀態(tài)由器件的八個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入即IP0 – IP7來檢測(cè)。內(nèi)部信號(hào)處理將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為低伏電平，并將其應(yīng)用于并行輸入、串行輸出移位寄存器的輸入。由于微控制器的負(fù)載脈沖作用于 /LD 輸入，因此內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)被鎖閉到移位寄存器中。微控制器向 CLK 輸入施加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)以串行方式將數(shù)據(jù)從 DIS 中移位，然后通過數(shù)字隔離器進(jìn)入一個(gè)控制器寄存器，這樣便完成了移位寄存器內(nèi)容的讀取。
高壓接口要求使用數(shù)字隔離器，目的是將劇烈變化的遠(yuǎn)距離傳感器開關(guān)接地電位，同控制器電子器件的局部接地電隔離。
圖1:數(shù)字輸入串行器的典型結(jié)構(gòu)
適用于高伏接口的一些傳感器開關(guān)包括接近開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、限位開關(guān)、按鈕開關(guān)等等。就高輸入電壓而言，輸入電阻器RIN0到RIN7的實(shí)施對(duì)于將輸入開關(guān)閾值升至更高電平來說是必要的，而低輸入電壓的系統(tǒng)一般無(wú)需輸入電阻器。
圖1表明高達(dá)34V的電源電壓可以直接作用于電源接線端和八個(gè)輸入端，無(wú)需保護(hù)電阻器。在使用這種電源電壓的情況下，內(nèi)部線性穩(wěn)壓器可以提供穩(wěn)定的 5V 輸出，以為器件內(nèi)部電路和外部隔離器或者微控制器供電。另一個(gè)輔助功能是片上溫度傳感器，其在結(jié)溫達(dá)到150℃時(shí)便向控制器發(fā)出報(bào)警。
通過可調(diào)節(jié)輸入電流限制，讓在器件輸入端直接使用高達(dá)34V的高壓成為可能。就純電阻輸入的高壓接口而言，由于輸入電流增加帶來輸入電壓上升，從而導(dǎo)致其功耗急劇上升。與之相比，由于將輸入電流限制在某個(gè)恒定電平，而這一電平可以通過使用一個(gè)外部精密電阻器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此DIS的輸入極大地降低了功耗。
另外，每條通道都對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度和耐力檢查。這種電流、電壓檢測(cè)功能具有一些內(nèi)部信號(hào)閾值，用于確保通道不會(huì)被漏電流或者殘留電壓觸發(fā)。
在導(dǎo)通狀態(tài)（開關(guān)關(guān)閉）的情況下，電流比較器檢測(cè)輸入電流是否高于預(yù)定義的漏電流閾值，而電壓比較器則檢測(cè)輸入電壓是否高于內(nèi)部設(shè)定的基準(zhǔn)電壓。如果兩個(gè)比較器輸出均為邏輯高電平，則可編程去抖動(dòng)濾波器檢查輸入狀態(tài)的新變化是否由噪聲瞬態(tài)或者真輸入信號(hào)所引起。
導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，濾波器輸出為高電平，同時(shí)電流限制器輸出連接至信號(hào)返回輸出(Rex)。每個(gè)RE-輸出均有一個(gè)發(fā)光二極管(LED)連接接地層，從而實(shí)現(xiàn)傳感器開關(guān)狀態(tài)的可視化指示。因此，如果某個(gè)開關(guān)關(guān)閉，則 LED 亮起。在斷開狀態(tài)（開關(guān)打開）下，濾波器輸出為低電平，同時(shí)電流限制器的輸出接地，則 LED 不亮。
輸入配置
針對(duì)某種應(yīng)用對(duì)數(shù)字輸入串行器進(jìn)行配置時(shí)，只有兩個(gè)重要的參數(shù)，即輸入電流限制IIN-LIM和導(dǎo)通閾值VIN-ON。這兩個(gè)參數(shù)均通過外部電阻器RLIM以及RIN0到RIN7來進(jìn)行調(diào)節(jié)。盡管RLIM定義所有八條輸入通道的電流限制，但也可以通過使用不同的RIN值，來單獨(dú)設(shè)定每條通道的導(dǎo)通閾值。
電流限制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)比較器功能，其閾值電流ITH與最大輸入電流IIN-LIM完全相同。利用一個(gè)反射系數(shù)為n = 72的電流鏡，通過基準(zhǔn)電流IREF推導(dǎo)出ITH。由于 IIN-LIM與ITH相同，因此最大輸入電流可以表示為：
方程式1IREF反過來又由內(nèi)部1.25V帶隙基準(zhǔn)與外部電阻器RLIM的比計(jì)算得到：
方程式2將方程式2插入到方程式1中，得到IIN-LIM為RLIM的函數(shù)：
方程式3求解方程式3得到RLIM，即設(shè)置理想電流限制所需的電阻器值：
方程式4現(xiàn)場(chǎng)輸入導(dǎo)通閾值電壓VIN-ON，與電流限制、輸入電阻器以及器件輸入的導(dǎo)通閾值電壓VIP-ON有關(guān)。VIP-ON等于內(nèi)部電壓檢測(cè)比較器的固定 5.2V基準(zhǔn)電壓。因此，VIP-ON可以表示為：
方程式5插入VIP-ON的數(shù)值，然后代入方程式3的IIN-LIM計(jì)算結(jié)果，得到：
方程式6然后求解RIN得到設(shè)置規(guī)定電流限制條件下理想導(dǎo)通閾值所要求的輸入電阻器值：
方程式7 因此，針對(duì)各種應(yīng)用對(duì)DIS進(jìn)行完全配置只需要兩個(gè)方程式，即方程式3用于設(shè)置電流限制，而方程式7用于達(dá)到理想導(dǎo)通閾值電壓。根據(jù)這兩個(gè)方程式，表1列出了不同輸入閾值電壓和電流限制的各種電阻器組合情況。
表1各種輸入配置
表1中的星號(hào)表示非常高的輸入電壓會(huì)超出最大器件電壓34V。這種情況下，IPx和接地之間連接的30V齊納二極管可防止器件輸入毀壞。將開關(guān)閾值設(shè)定在輸入電壓范圍的中間，即 VIN-ON = VIN-max/2，這時(shí)最大齊納電流將等于輸入電流限制，即IZ-max=IIN-LIM，同時(shí)總輸入電流將為電流限制的兩倍。
若想節(jié)能，需將電流限制設(shè)定為0.5mA。很明顯，在這種低輸入電流情況下，將指示器 LED連接至Rex輸出沒有意義，因?yàn)槠洳粫?huì)亮起。相反，我們應(yīng)該將它們放置在CMOS輸出可以很容易地實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)功能的控制器端。
串行接口
圖1表明對(duì)于高達(dá)24V標(biāo)稱值、或者34V最大值的總線電源來說，數(shù)字輸入串行器可以將總線電壓調(diào)低到5V，以為數(shù)字隔離器或者微控制器提供充足的電源。但是，在高壓條件下，在DIS之前調(diào)低總線電源電壓，會(huì)極大地降低總功效。在非隔離應(yīng)用中，使用一個(gè)微型充電泵，并通過控制器電源為DIS提供備用電源，這樣做更利于提高能效。但是，在隔離式應(yīng)用中，要求一個(gè)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器來穿過隔離層提供控制器電源。
實(shí)施電氣隔離的原因是，數(shù)字輸入串行器一般用于檢測(cè)遠(yuǎn)距離安裝傳感器和信號(hào)源的輸出電壓，例如：AC整流器的輸出，其接地電位明顯不同于本地控制器接地。將各種接地電位相互連接會(huì)引起大量接地環(huán)路電流流動(dòng)。使用數(shù)字隔離器可以防止出現(xiàn)這種情況。
如前所述，DIS數(shù)字接口的控制很容易實(shí)施。系統(tǒng)控制器只需通過其通用輸出端之一，向DIS的/LD輸入端發(fā)送一個(gè)短且低活躍度的負(fù)載脈沖，旨在將當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)輸入狀態(tài)鎖存至DIS 移位寄存器中。之后，它向CLK線路施加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以串行方式移出寄存器內(nèi)容。
如圖2所示，DIS的移位寄存器結(jié)構(gòu)通過簡(jiǎn)單地將前面器件的串行輸出SOP連接至后面器件的串行輸入SIP，實(shí)現(xiàn)以菊花鏈方式連接多個(gè)器件。這種方法允許進(jìn)行高通道數(shù)目的緊湊型數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)其僅使用了一個(gè)串行接口。
一次讀取多個(gè)DIS器件的內(nèi)容時(shí)，較短的讀取周期時(shí)間便為基本要求，而標(biāo)準(zhǔn)微控制器SPI接口的最大速度已經(jīng)可以達(dá)到10 MHz或者20 Mbps。但是，DIS的串行接口可以支持高達(dá) 300 Mbps的數(shù)據(jù)速率，其甚至超出了一些高速隔離器的數(shù)據(jù)速率。因此，若想將讀取周期時(shí)間縮短至絕對(duì)最小值，便要求極高的時(shí)鐘頻率，同時(shí)還必須消除隔離器的傳播延遲。
正因如此，微控制器常常被現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 所取代，因?yàn)樗粌H僅具有高時(shí)鐘頻率，而且還允許實(shí)現(xiàn)接收時(shí)鐘輸入（如圖 2 藍(lán)色線條所示）。然后，由FPGA發(fā)送的相同時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過隔離器延遲，開始將寄存器內(nèi)容移出DIS，同時(shí)與SOP信號(hào)一起通過另一個(gè)隔離器通道獲得反饋，從而保持接收時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系。
圖2:隔離32-通道數(shù)字輸入模塊
結(jié)論
數(shù)字輸入串行器是低功耗控制器與高DC電壓接口連接的最通用解決方案。SN65HVS88x系列數(shù)字輸入串行器支持低壓控制器和高壓應(yīng)用之間的接口設(shè)計(jì)，擁有各種各樣的特性，例如：欠壓檢測(cè)、電流限制、去抖動(dòng)濾波、散熱保護(hù)、奇偶發(fā)生以及單5V電源等。
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評(píng)論