具有集成浪涌保護功能的 TIOS101、TIOS101x 數(shù)字傳感器輸出驅動器詳解

在工業(yè)傳感器應用中，可靠且高效的數(shù)字驅動器至關重要。TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 數(shù)字傳感器輸出驅動器憑借其豐富的特性和強大的保護功能，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：tios1015.pdf

一、產(chǎn)品特性

1. 功能安全與電源適應性

TIOS101 系列提供功能安全相關文檔，助力功能安全系統(tǒng)設計。其電源電壓范圍為 7V 至 36V，輸出類型可配置為 PNP、NPN 或推挽，能適應不同的應用需求。在 250mA 條件下，殘余電壓低至 1.75V，有效降低了功耗。

2. 電流限制與瞬態(tài)保護

輸出電流限制可在 50mA 至 350mA 之間配置，通過外部電阻器輕松實現(xiàn)。該系列器件耐受 ±65V 瞬態(tài)電壓（時間低于 100μs），在 VCC、OUT 和 GND 上具有高達 60V 的反極性保護，同時 VCC 和 OUT 上集成了 EMC 保護，包括 ±16kV 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 浪涌保護。

3. 負載驅動與其他特性

具備高達 1.5H 電感負載的快速消磁功能和大電容負載驅動能力，靜態(tài)電源電流小于 2.2mA。TIOS101 無 LDO，TIOS1013 提供 3.3V LDO，TIOS1015 提供 5V LDO，可支持高達 20mA 的電流。此外，還具有過熱警告和熱保護、故障指示燈，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 125°C，采用 2.5mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝，節(jié)省空間。

二、應用場景

TIOS101(x) 器件適用于接近開關、電容式和電感式傳感器的數(shù)字輸出等應用場景，為工業(yè)自動化中的傳感器信號處理提供了可靠的解決方案。

三、產(chǎn)品說明

1. 驅動配置與連接

TIOS101(x) 可配置為高側、低側或推挽驅動器，能承受高達 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，并具有集成反向極性保護。通過簡單的引腳可編程接口，可輕松連接到控制器電路，輸出電流限制可使用外部電阻器進行配置。

2. 保護與故障報告

該系列器件提供故障報告和內(nèi)部保護功能，可應對過流、欠壓和過熱條件，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

四、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值

VCC 和 OUT 的穩(wěn)態(tài)電壓范圍為 -60V 至 60V，瞬態(tài)脈沖寬度小于 100us 時為 -65V 至 65V，電壓差最大為 60V。邏輯電源電壓（TIOS101）為 -0.3V 至 6V，輸入邏輯電壓范圍為 -0.3V 至 6V，輸出電流范圍為 -5mA 至 5mA，存儲溫度范圍為 -55°C 至 170°C。

2. ESD 評級

所有引腳的人體模型（HBM）靜電放電為 ±4000V，VCC、OUT 和 GND 引腳的接觸放電為 ±16000V，電氣快速瞬變?yōu)?±4000V，浪涌保護為 ±1200V（500Ω）。

3. 推薦工作條件

電源電壓推薦范圍為 7V 至 36V，邏輯電平輸入電壓（TIOS101 僅）在 3.3V 配置下為 3V 至 3.6V，5V 配置下為 4.5V 至 5.5V。外部電阻 RSET 用于 OUT 電流限制，范圍為 0 至 100kΩ，信號速率（推挽模式）最大為 250kbps，LDO 輸出電流（TIOS1013 和 TIOS1015 僅）最大為 20mA，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 125°C，結溫最大為 150°C。

五、詳細描述

1. 概述

TIOS101 和 TIOS101x 設備的驅動輸出（OUT）可通過使能（EN）和傳輸數(shù)據(jù)（IN）輸入引腳配置為推挽、高側或低側模式，能驅動電阻性、大電容性或大電感性負載。集成了 IEC 61000 - 4 - 4/5 EFT 和浪涌保護，耐受 ±65V 瞬態(tài)電壓，簡化了系統(tǒng)級設計。

2. 功能特性

電流限制配置

輸出電流可通過 ILIM_ADJ 引腳的內(nèi)部電阻進行配置，最大可設置電流限制為 300mA。通過浮空 ILIM_ADJ 引腳可禁用輸出因電流故障而禁用和電流故障自動恢復功能，但電流故障指示仍有效。

電流故障檢測、指示和自動恢復

當 OUT 輸出電流超過內(nèi)部設定的電流限制 I $O(LIM)$ 持續(xù)時間超過 $tsc$ 時，NFAULT 引腳驅動為邏輯低電平，指示故障條件，輸出關閉，但 LDO 繼續(xù)工作。輸出會周期性重試，檢查是否仍處于過流狀態(tài)。通過設置 $ILIM_ADJ = OPEN$ 可禁用電流故障自動恢復模式。

熱警告和熱關斷

當芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時，NFAULT 標志保持低電平，指示可能的過熱問題；當 $T{J}$ 超過 $T{(SDN)}$ 時，輸出禁用，但 LDO 仍可工作。溫度下降到閾值以下（經(jīng)過 $T{(HYS)}$ 后），內(nèi)部電路重新啟用驅動器。

故障報告（NFAULT）

當檢測到電流故障、芯片溫度超過 $T_{(WRN)}$ 或電源電壓低于 UVLO 閾值時，NFAULT 驅動為低電平；所有故障條件清除后，NFAULT 返回高阻抗。

設備功能表

通過 EN 和 IN 引腳的不同組合，可實現(xiàn)不同的驅動功能和電流限制指示功能。

集成電壓調(diào)節(jié)器（LDO）

TIOS1013 和 TIOS1015 具有集成線性電壓調(diào)節(jié)器（LDO），可提供高達 20mA 的電流，輸出電壓分別為 3.3V 和 5V。LDO 設計穩(wěn)定，適用于標準陶瓷電容器。

反向極性保護

反向極性保護電路可防止 VCC、OUT 和 GND 引腳意外反接，任何引腳之間的最大電壓不得超過 60V DC。

集成浪涌保護和瞬態(tài)波形耐受

VCC 和 OUT 引腳能夠承受高達 1.2kV 的 1.2/50 – 8/20 μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，可承受 ±65V 瞬態(tài)脈沖（<100 μs）。

上電順序

VCC_IN 和 VCC 域可以按任意順序上電。若 VCC 上電而 VCC_IN 未上電，OUT 引腳保持高阻抗。

欠壓鎖定（UVLO）

當 VCC 電壓低于 $V{(UVLO)}$ 時，設備進入 UVLO 狀態(tài)，NFAULT 拉低，LDO 關閉，OUT 輸出禁用。電源電壓上升超過 $V{(UVLO)}$ 后，NFAULT 返回高阻抗，LDO 立即啟用，OUT 輸出在 $T_{(UVLO)}$ 延遲后開啟。

3. 設備功能模式

TIOS101(x) 可在三種不同模式下運行：NPN 配置（N - 開關模式）、PNP 配置（P - 開關模式）和推挽模式，通過不同的引腳配置實現(xiàn)相應功能。

六、應用信息

1. 典型應用設計

TIOS101 和 TIOS101x 是工業(yè)傳感器的可靠 24V 數(shù)字驅動器。典型應用設計中，需考慮輸入電壓范圍、輸出電流、輸出電壓、LDO 輸出電流、上拉電阻、去耦電容和 ILIM_ADJ 電阻等參數(shù)。

2. 詳細設計過程

最大結溫檢查

通過計算驅動輸出和 LDO 的功耗，結合結到環(huán)境的熱阻，可確定最大結溫。只要最大結溫低于推薦的最大值 150°C，就不會發(fā)生熱關斷，但可能會觸發(fā)熱警告。

驅動電容負載

TIOS101(x) 能夠驅動電容負載，可根據(jù)公式計算最大可充電電容，若連接串聯(lián)電阻，可驅動更高的電容負載。

驅動電感負載

該系列器件能夠對高達 1.5H 的電感負載進行磁化和消磁，在 P - 開關和 N - 開關模式下具有內(nèi)部快速消磁電路，可將電感反沖電壓鉗位在約 ±75V。可根據(jù)公式計算最小電阻負載。

七、電源供應與布局建議

1. 電源供應

TIOS101 和 TIOS101x 設計為在 24V 標稱電源下工作，電源電壓范圍為 7V 至 36V，建議使用至少 100nF/100V 的電容進行電源去耦。

2. 布局指南

推薦使用 4 層電路板，將熱焊盤通過大量熱過孔連接到 GND 平面，以實現(xiàn)最佳熱性能。VCC 終端應使用低 ESR 陶瓷去耦電容與地去耦，電容應靠近 VCC 和 GND 終端。所有開漏控制輸出應通過 10kΩ 上拉電阻連接到 VCCIN/OUT 平面，將 $R{SET}$ 電阻連接在 ILIM_ADJ 和 GND 之間，VCC_IN/OUT 輸出應使用 1μF 低 ESR 陶瓷去耦電容與地去耦。

八、設備與文檔支持

1. 文檔更新通知

可在 ti.com 上的器件產(chǎn)品文件夾中訂閱更新，每周接收產(chǎn)品信息更改摘要。

2. 支持資源

TI E2E? 支持論壇為工程師提供了快速、經(jīng)過驗證的解答和設計幫助。

3. 靜電放電警告

靜電放電可能損壞集成電路，建議采取適當?shù)念A防措施處理所有集成電路。

TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 數(shù)字傳感器輸出驅動器憑借其豐富的特性、強大的保護功能和廣泛的應用場景，為工業(yè)傳感器設計提供了可靠的解決方案。在實際設計中，工程師應根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)和配置，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類似器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。