SN65HVD101和SN65HVD102：工業(yè)通信的理想IO-Link PHY解決方案

引言

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定的通信至關(guān)重要。IO-Link作為一種新興的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)備之間的通信提供了便捷、可靠的解決方案。TI的SN65HVD101和SN65HVD102 IO-Link PHY正是為滿足這一需求而設(shè)計的產(chǎn)品。本文將詳細(xì)介紹這兩款產(chǎn)品的特點、功能、應(yīng)用及設(shè)計要點，希望能為電子工程師在工業(yè)通信設(shè)計中提供有價值的參考。

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產(chǎn)品概述

SN65HVD101和SN65HVD102是專為工業(yè)點對點通信而設(shè)計的IO-Link PHY，它們可作為完整的物理層，實現(xiàn)IO-Link主站與遠(yuǎn)程節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換。這兩款產(chǎn)品具有多種可配置特性，適用于各種IO-Link設(shè)備節(jié)點應(yīng)用。

產(chǎn)品特性

• 可配置CQ輸出：支持推挽、高側(cè)或低側(cè)配置，適用于不同的應(yīng)用場景。
• 保護(hù)功能：具備過流、過壓和過溫保護(hù)特性，確保設(shè)備在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 電流限制設(shè)置：可通過外部電阻設(shè)置驅(qū)動輸出電流限制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
• 狀態(tài)指示：提供電流限制指示、喚醒指示和電源良好指示等功能，方便系統(tǒng)監(jiān)控。
• 小封裝設(shè)計：采用20引腳QFN封裝（4mm×3.5mm），適用于空間受限的應(yīng)用。

產(chǎn)品對比

SN65HVD101和SN65HVD102在功能上基本相似，但SN65HVD101集成了線性穩(wěn)壓器，可從IO-Link L+電壓生成3.3V或5V電源，為PHY、本地控制器和其他電路供電；而SN65HVD102則需要外部提供3.3V或5V電源。

技術(shù)規(guī)格

絕對最大額定值

ESD額定值

人體模型（HBM，所有引腳）：+2000V

推薦工作條件

功能描述

功能框圖

SN65HVD101和SN65HVD102的功能框圖顯示，設(shè)備驅(qū)動輸出（CQ）可通過使能（EN）和發(fā)送數(shù)據(jù)（TX）輸入引腳實現(xiàn)推挽、高側(cè)或低側(cè)配置。內(nèi)部接收器將CQ線上的24V IO-Link信號轉(zhuǎn)換為接收數(shù)據(jù)（RX）引腳上的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。通過簡單的并行接口，可在從設(shè)備和本地控制器之間收發(fā)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

特性描述

喚醒檢測

當(dāng)設(shè)備處于SIO模式且主節(jié)點發(fā)起通信時，主節(jié)點會驅(qū)動CQ線改變狀態(tài)，并根據(jù)IO-Link規(guī)范提供喚醒電流。SN65HVD10XX IO-Link PHY檢測到喚醒條件后，通過WAKE引腳向本地微控制器發(fā)送信號。設(shè)備節(jié)點需在接收到喚醒信號后的500μs內(nèi)切換到接收模式。

電流限制指示 - 短路電流檢測

內(nèi)部電流限制指示器與喚醒邏輯門控，僅在特定的CQ電壓條件下激活。當(dāng)CQ輸出電流超過內(nèi)部設(shè)定的電流限制且持續(xù)時間超過喚醒脈沖（80μs）時，CUR_OK引腳輸出低電平，指示過流狀態(tài)；當(dāng)CQ引腳不再處于電流限制狀態(tài)時，CUR_OK引腳恢復(fù)高阻抗?fàn)顟B(tài)。

過溫檢測

當(dāng)收發(fā)器內(nèi)部溫度超過過溫閾值時，CQ驅(qū)動器和電壓調(diào)節(jié)器（HVD101）將被禁用。當(dāng)溫度下降到閾值以下時，內(nèi)部電路將根據(jù)EN和TX引腳的狀態(tài)重新啟用電壓調(diào)節(jié)器和驅(qū)動器。

CQ電流限制調(diào)整

CQ驅(qū)動器的電流限制由ILIM_ADJ引腳上的外部電阻RSET決定。通過調(diào)整RSET的值，可以設(shè)置不同的電流限制。

收發(fā)器功能表

設(shè)備功能模式

SN65HVD101和SN65HVD102可工作在三種不同模式：

• N開關(guān)SIO模式：將TX引腳置高，使用EN引腳作為控制信號，實現(xiàn)CQ引腳的N開關(guān)（低側(cè)驅(qū)動）功能。
• P開關(guān)SIO模式：將TX引腳置低，使用EN引腳作為控制信號，實現(xiàn)CQ引腳的P開關(guān)（高側(cè)驅(qū)動）功能。
• 推挽/通信模式：將EN引腳置高，通過切換TX引腳實現(xiàn)CQ引腳的推挽輸出功能。

應(yīng)用與設(shè)計

典型應(yīng)用

詳細(xì)設(shè)計步驟

收發(fā)器配置

1. 選擇24V標(biāo)稱直流電源作為L+輸入。
2. 根據(jù)電流限制特性曲線，選擇RSET = 4kΩ，以實現(xiàn)250mA的電流限制。
3. 將VCC_SET引腳接地，使VCC_OUT輸出3.3V電壓。
4. 將VCC_IN引腳連接到VCC_OUT引腳，確保輸出電壓穩(wěn)定。
5. 使用3.3μF、10V陶瓷電容對VCC_OUT進(jìn)行濾波。
6. 通過10kΩ上拉電阻將接收器和診斷輸出連接到VCC_OUT，為控制器輸入提供確定的電壓電位。
7. 通過10kΩ下拉電阻將驅(qū)動器使能引腳EN連接到地，確保上電時驅(qū)動器處于禁用狀態(tài)。

最大環(huán)境溫度檢查

計算內(nèi)部功耗：$P{D-INT} = V{RQH} cdot I{O(lim)} = 3V cdot 250mA = 750mW$ 計算結(jié)溫與環(huán)境溫度差：$Delta T = T{J} - T{A} = P{D-INT} cdot theta{JA} = 750mW cdot 33.8^{circ}C/W = 25.4^{circ}C$ 計算最大結(jié)溫：$T{J-max} = T{A-max} + Delta T = 100^{circ}C + 25.4^{circ}C = 125.4^{circ}C$ 由于$T{J-max}$低于推薦的最大結(jié)溫150℃，因此不會出現(xiàn)過熱問題。

瞬態(tài)保護(hù)

采用1.2/50 - 8/20μs組合波形發(fā)生器進(jìn)行浪涌測試，峰值測試電壓為2kV，源阻抗為500Ω。選擇雙向200W TVS二極管SMF33CA進(jìn)行保護(hù)，并根據(jù)脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度對其峰值功率進(jìn)行降額處理。

TVS評估

在25℃環(huán)境溫度下，SMF33CA在10/1000μs脈沖下的峰值脈沖功率為200W，在8/20μs脈沖下的峰值脈沖功率約為950W。由于應(yīng)用中的環(huán)境溫度為100℃，需根據(jù)脈沖降額曲線將峰值脈沖功率進(jìn)一步降額至475W。在2kV測試電壓下，最大浪涌電流為4A，此時TVS鉗位電壓為44V，低于SN65HVD101和SN65HVD102的絕對最大電壓額定值50V，可確保設(shè)備安全。

系統(tǒng)示例

白熾燈負(fù)載驅(qū)動

SN65HVD101可用于驅(qū)動白熾燈負(fù)載。由于白熾燈燈絲的冷態(tài)電阻遠(yuǎn)低于熱態(tài)電阻，初始“浪涌”電流較大。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娏飨拗?，可確保燈絲在初始階段升溫，并在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后保持穩(wěn)定的電流。

電感負(fù)載驅(qū)動

當(dāng)驅(qū)動電感負(fù)載時，需要使用三個TVS二極管進(jìn)行保護(hù)，以防止電感在開關(guān)過程中產(chǎn)生的高電壓損壞設(shè)備。當(dāng)高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷時，TVS二極管可限制電感兩端的電壓，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電源供應(yīng)建議

SN65HVD101和SN65HVD102設(shè)計為從24V標(biāo)稱電源（L+）供電，電源電壓可在9V至30V范圍內(nèi)波動。建議在設(shè)備引腳附近使用至少1μF/60V陶瓷電容對電源進(jìn)行濾波，以減少電源噪聲和紋波。

布局指南

PCB布局

• 層設(shè)置：采用4層電路板，頂層用于控制信號，第二層作為電源接地層，第三層用于24V電源平面，第四層用于穩(wěn)壓輸出電源平面。
• 電源濾波：在收發(fā)器的L+和L - 引腳附近放置低ESR陶瓷旁路電容，以減少電源壓降。
• TVS二極管：將TVS二極管靠近連接器放置，防止瞬態(tài)能量進(jìn)入電路。
• 上拉電阻：通過10kΩ上拉電阻將所有開漏控制輸出和接收器輸出連接到VCC_OUT平面，為系統(tǒng)控制器輸入提供確定的電壓電位。
• 下拉電阻：通過10kΩ下拉電阻將收發(fā)器使能引腳連接到地，確保上電時驅(qū)動器輸出禁用。
• 電壓調(diào)節(jié)：將VCC_SET引腳直接接地或懸空，以設(shè)置VCC_OUT的輸出電壓；將VCC_IN引腳直接連接到VCC_OUT引腳，確保電壓穩(wěn)定。
• 輸出濾波：使用低ESR、3.3μF陶瓷旁路電容對VCC_OUT進(jìn)行濾波。

布局示例

參考文檔中的PCB布局示例，可確保電路板的電氣性能和穩(wěn)定性。

總結(jié)

SN65HVD101和SN65HVD102 IO-Link PHY為工業(yè)通信提供了可靠、高效的解決方案。它們具有豐富的保護(hù)功能、可配置的輸出模式和小封裝設(shè)計，適用于各種IO-Link設(shè)備節(jié)點應(yīng)用。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理配置參數(shù)，并遵循布局指南，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為電子工程師在工業(yè)通信設(shè)計中提供有益的參考。