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高压应用与低功耗控制器的接口连接

发布时间: 2012-08-08 11:44:04     来源: EDA中国

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许多商业和工业应用都面临一个难题,即如何通过接口将低压微控制器及数字信号处理器 (DSP) 连接至高压传感器开关和其他数字、高压电路。大多数情况下,需要通过这些接口获取二进制(1/0,或者高/低)状态信息形式的反馈。

 

新一代的接口器件,被称作数字输入串行器 (DIS),其在连接低功耗微控制器的同时能够以最高能效方式对数字输入电压进行检测,检测范围最低可达 6Vdc,最高可达300 Vdc。

 

本文将介绍数字输入串行器的工作原理及其低、中、高压输入信号的配置情况。

 

工作原理

 

为了更好地理解 DIS 的工作原理,我们以完整的接口设计为背景来对这种器件进行研究(请参见图 1)。一般而言,高压总线为一组传感器开关即 S0 – S7 供电,其开/关状态由器件的八个现场输入即 IP0 – IP7 来检测。内部信号处理将输入信号转换为低伏电平,并将其应用于并行输入、串行输出移位寄存器的输入。由于微控制器的负载脉冲作用于 /LD 输入,因此内部输入数据被锁闭到移位寄存器中。微控制器向 CLK 输入施加一个时钟信号,根据该信号以串行方式将数据从 DIS 中移位,然后通过数字隔离器进入一个控制器寄存器,这样便完成了移位寄存器内容的读取。

 

高压接口要求使用数字隔离器,目的是将剧烈变化的远距离传感器开关接地电位,同控制器电子器件的局部接地电隔离。

 

图 1 数字输入串行器的典型结构

 

适用于高伏接口的一些传感器开关包括接近开关、继电器触点、限位开关、按钮开关等等。就高输入电压而言,输入电阻器RIN0 到 RIN7 的实施对于将输入开关阈值升至更高电平来说是必要的,而低输入电压的系统一般无需输入电阻器。

 

图 1 表明高达 34V 的电源电压可以直接作用于电源接线端和八个输入端,无需保护电阻器。在使用这种电源电压的情况下,内部线性稳压器可以提供稳定的 5V 输出,以为器件内部电路和外部隔离器或者微控制器供电。另一个辅助功能是片上温度传感器,其在结温达到 150oC 时便向控制器发出报警。

 

通过可调节输入电流限制,让在器件输入端直接使用高达 34V 的高压成为可能。就纯电阻输入的高压接口而言,由于输入电流增加带来输入电压上升,从而导致其功耗急剧上升。与之相比,由于将输入电流限制在某个恒定电平,而这一电平可以通过使用一个外部精密电阻器来进行调节,因此 DIS 的输入极大地降低了功耗。

 

另外,每条通道都对其输入信号进行强度和耐力检查。这种电流、电压检测功能具有一些内部信号阈值,用于确保通道不会被漏电流或者残留电压触发。

 

在导通状态(开关关闭)的情况下,电流比较器检测输入电流是否高于预定义的漏电流阈值,而电压比较器则检测输入电压是否高于内部设定的基准电压。如果两个比较器输出均为逻辑高电平,则可编程去抖动滤波器检查输入状态的新变化是否由噪声瞬态或者真输入信号所引起。

 

导通状态时,滤波器输出为高电平,同时电流限制器输出连接至信号返回输出(Rex)。每个 RE-输出均有一个发光二极管 (LED) 连接接地层,从而实现传感器开关状态的可视化指示。因此,如果某个开关关闭,则 LED 亮起。在断开状态(开关打开)下,滤波器输出为低电平,同时电流限制器的输出接地,则 LED 不亮。

 

输入配置

针对某种应用对数字输入串行器进行配置时,只有两个重要的参数,即输入电流限制 IIN-LIM 和导通阈值 VIN-ON。这两个参数均通过外部电阻器 RLIM  以及 RIN0 到  RIN7 来进行调节。尽管 RLIM 定义所有八条输入通道的电流限制,但也可以通过使用不同的 RIN 值,来单独设定每条通道的导通阈值。

 

电流限制器内部实现比较器功能,其阈值电流 ITH 与最大输入电流 IIN-LIM 完全相同。利用一个反射系数为 n = 72 的电流镜,通过基准电流 IREF 推导出 ITH。由于 IIN-LIM 与 ITH 相同,因此最大输入电流可以表示为: 

IREF 反过来又由内部 1.25V 带隙基准与外部电阻器 RLIM 的比计算得到:

方程式 2 插入到方程式 1 中,得到 IIN-LIM 为 RLIM 的函数: 

求解方程式 3 得到 RLIM,即设置理想电流限制所需的电阻器值: 

现场输入导通阈值电压 VIN-ON,与电流限制、输入电阻器以及器件输入的导通阈值电压 VIP-ON 有关。VIP-ON 等于内部电压检测比较器的固定 5.2V 基准电压。因此,VIP-ON 可以表示为: 

插入 VIP-ON 的数值,然后代入方程式 3 的 IIN-LIM 计算结果,得到: 

然后求解 RIN,得到设置规定电流限制条件下理想导通阈值所要求的输入电阻器值:

因此,针对各种应用对 DIS 进行完全配置只需要两个方程式,即方程式 3 用于设置电流限制,而方程式 7 用于达到理想导通阈值电压。根据这两个方程式,表 1 列出了不同输入阈值电压和电流限制的各种电阻器组合情况。

 

表 1 各种输入配置

 

VIN [V]

VIN-ON [V]

IIN-LIM [mA]

RIN [kΩ]

RLIM [kΩ]

12

5.2

2

0

44.8

34

5.2

2

0

44.8

34

10

2

2.4

44.8

48

24

2

9.4

44.8

100*

50

0.5

89.6

180

350*

150

0.5

290

180

* 要求齐纳钳位

 

一次读取多个 DIS 器件的内容时,较短的读取周期时间便为基本要求,而标准微控制器 SPI 接口的最大速度已经可以达到 10 MHz 或者 20 Mbps。但是,DIS 的串行接口可以支持高达 300 Mbps的数据速率,其甚至超出了一些高速隔离器的数据速率。因此,若想将读取周期时间缩短至绝对最小值,便要求极高的时钟频率,同时还必须消除隔离器的传播延迟。

 

正因如此,微控制器常常被现场可编程门阵列 (FPGA) 所取代,因为它不仅仅具有高时钟频率,而且还允许实现接收时钟输入(如图 2 蓝色线条所示)。然后,由 FPGA 发送的相同时钟信号,经过隔离器延迟,开始将寄存器内容移出 DIS,同时与 SOP 信号一起通过另一个隔离器通道获得反馈,从而保持接收时钟和数据之间的相位关系。

 

结论

数字输入串行器是低功耗控制器与高 DC 电压接口连接的最通用解决方案。SN65HVS88x 系列数字输入串行器支持低压控制器和高压应用之间的接口设计,拥有各种各样的特性,例如:欠压检测、电流限制、去抖动滤波、散热保护、奇偶发生以及单 5V 电源等。

 

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