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数字输出驱动器:了解关键特性和挑战

2020-9-24 10:24:25  131 驱动器 数字电路 接口 PLC
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本应用笔记介绍了八通道数字输出驱动器MAX14912 / MAX14913的关键特性,以及如何在工业和楼宇自动化应用中使用它们。
数字输出驱动器广泛用于工业应用中的过程控制(PLC系统)和楼宇自动化。它们还可以在任何24V DC系统用于控制的地方使用,例如电动机控制,机器人技术和机械自动化。
乍一看,数字输出驱动器是一种只有两个输出状态的简单设备:ON或OFF。通过仔细检查,设计人员成功地更换了机械开关继电器,从而为工程师提供了许多好处,例如鲁棒的操作,低功耗,简单,更小的尺寸,灵活性和可编程性,以构建自动化的容错控制系统。
Maxim的数字输出驱动器具有高达200kHz的开关速率,快速,安全的感性负载退磁,开路负载,低压和欠压检测,过流和过热保护,看门狗定时器以及SPI错误检测。它们可承受高达60V的电源尖峰,可承受±1kV的浪涌脉冲和高达12kV的ESD冲击,并且可在-40°C至+ 125°C的宽工作温度范围内工作。
在本应用笔记中,我们讨论了如何有效利用MAX14912 / MAX14913输出驱动器的不同功能。为此,我们研究了系统设计人员必须采取的决策,并考虑了MAX14912 / MAX14913提供的折衷和优势。

确定系统操作条件高侧(HS)或推拉(PP)?通常,推挽操作用于高速通信,在这种情况下,信号波形应具有尖锐的边缘。这种模式的缺点是,除非使用全局EN引脚,否则输出始终为高电平或低电平有效,并且不能为三态或具有高阻抗。
相反,高端操作允许工程师将输出置于高阻抗状态,但是信号波形在很大程度上取决于负载阻抗。输出还可以并联连接,在高端模式下可提供高达9.6A的更大负载。
因此,选择操作模式取决于特定的应用。

电源要求MAX14912 / MAX14913支持12V至36V的各种电源,即使在稳压要求较低且容忍度更高的系统中,也可用于各种应用。这保证了系统设计的鲁棒性和灵活性。
集成的5V DC-DC转换器消除了额外的电源轨,最大限度地减少了外部组件的数量,并提高了系统效率。系统中的其他设备可以通过5V直流电源供电,该直流电源可以为外部电路提供超过100mA的电流。

系统整合数字输出驱动器是低压MCU / FPGA和相对高压(12V至36V)外围设备(例如致动器,电机,灯,继电器,LED等)之间的接口。它们提供了对电压和电流的高度抗扰性尖峰,电感性或电容性负载,以及电磁干扰和静电放电。
此外,MAX14912 / MAX14913具有广泛的诊断功能,包括热关断,开路检测,低电源和欠压检测以及过压和过流保护。4×4 LED驱动器交叉开关矩阵允许每个通道指示输出状态和故障情况。

数字接口MAX14912和MAX14913支持两种接口。并行和串行。系统设计人员可以灵活地使用并行或串行接口来控制操作,或同时使用两个接口。要了解这些接口,我们首先回顾一些全局配置引脚。

全局配置引脚EN –将该引脚驱动为高电平可使器件正常工作;将该引脚驱动为低电平将禁用任何输出操作,即使所有输出为高阻态。
SRIAL –将此引脚驱动为高电平可启用串行(SPI)操作;将该引脚驱动为低电平可启用并行操作。
PUSHPUL –将该引脚驱动为高电平可实现推挽操作模式;将此引脚驱动为低电平或悬空时,所有输出引脚均工作在高端模式。
FLTR –当该引脚设置为高电平时,将启用所有并行逻辑输入和CS引脚上的毛刺滤波。

并行接口并行接口是一个简单的基于引脚的接口,用于控制驱动器输出。如果SRIAL引脚接地(SRIAL =低电平),则可通过并行接口控制器件。OUT_引脚的状态由相应的IN_引脚和全局配置引脚(PUSHPL,FLTR和EN)的状态控制。在并行模式下,最少需要9个GPIO引脚来控制MAX14912 / MAX14913:控制8个输入引脚IN_和PUSHPL引脚。FLTR和EN引脚可以一直保持高电平。表1总结了引脚设置。


表1.并行模式引脚配置
注意:MAX14913不允许并行模式下的串行配置,而即使SRIAL为低电平,也可以通过串行接口配置MAX14912。在该模式下,除寄存器0外的所有寄存器均可访问(请参见下面的串行接口部分)。
通过串行接口进行配置的优先级高于PUSHPL引脚设置。逻辑电平0(低)或1(高)取决于VL输入,该输入在1.6V至5.5V的范围内有效。并行模式的缺点是缺少诊断信息。

串行接口当SRIAL引脚被驱动为VL电平(SRIAL =高电平)时,串行SPI接口被使能。在串行模式下,所有输出引脚均由内部寄存器设置和输入引脚控制。可以通过串行接口引脚(CS,CLK,SDI和SDO)访问寄存器。有关详细信息,请参考MAX14912 / MAX14913数据手册的串行接口部分。
某些功能(例如,循环冗余校验(CRC),看门狗和过滤)仅由CRC / IN3,WDEN / IN5和FLTR引脚上的输入逻辑控制,而开路负载检测和输出配置则由OL上的任一输入逻辑控制/ IN1和PUSHPL引脚,或通过寄存器设置。
此外,表2总结了CMND / IN2,CNFG / IN7和S16 / IN8的设置。


表2. SPI接口模式选择
直接模式在直接SPI模式下,不需要命令字节。高字节控制输出电平,低字节控制16位模式下的输出配置。仅注册。CNFG / IN7和S16 / IN8设置为低电平时,可访问0。仅注册。1和Reg。将CNFG / IN7和S16 / IN8设置为高电平时,可以访问2。
在直接模式写入期间,SDO引脚上可以进行故障(F)和输出电平(L)诊断(请参见图1和表3)。


图1. 16位直接SPI模式下的SPI周期

表3. 16位SPI直接模式位定义
综上所述:
  • 当S16 / IN8 =低电平且CNFG / IN7 =低电平时,串行数据的一个字节控制OUT_状态。当S16 / IN8 =低电平且CNFG / IN7 =高电平时,串行数据的一个字节控制输出模式:高端或推挽。
  • 当S16 / IN8 =高电平且CNFG / IN7 =低电平时,串行数据的两个字节同时控制OUT_状态和输出模式配置:高端还是推挽。
  • 当S16 / IN8 =高电平且CNFG / IN7 =高电平时,第一个字节设置输出配置(高侧/推挽),第二个字节启用/禁用开路负载检测。
建议先设置配置寄存器,然后更新输出电平。
注意:返回的F_(故障)和L_(级别)信息适用于先前编写的命令。写入两次以获得实时故障和级别诊断。当驱动器处于启用了开路负载检测的高端模式时,无负载的OUT_引脚会被75µA电流上拉至VDD电平。在这种情况下,确定故障条件。

命令模式在命令模式下,可通过SPI接口使用所有功能和增强的诊断功能。要设置命令模式,必须将CNMD / IN2引脚设置为高电平。S16 / IN8和CNFG / IN7引脚的输入将被忽略。该命令包含命令字节,后跟数据字节。共有六种命令类型(命令说明请参见表4,寄存器映射请参见表5)。有关更多信息,请参见数据表。


表4.命令模式协议
注意:只有在任何命令周期内将Z设置为1才能清除所有故障寄存器。


表5.寄存器映射
通讯错误(CRC检测)循环冗余校验(CRC)是一种错误检测功能,可提高通信的可靠性并避免意外执行意外命令。最初,SPI协议不具有任何错误检测功能,并且在恶劣的工业环境中串行数据可能会损坏。启用CRC检测(SRIAL =高且CRC / IN3 =高)时,来自SPI主设备的所有命令必须后跟一个带有7位CRC码的附加字节,如图2所示。


图2.来自微控制器的SDI检查字节
基于生成多项式(x 7  + x 5  + x 4  + x 2  + x +1)计算7位CRC码,也称为CRC帧校验序列(FCS )。MAX14900E也使用相同的多项式。有关CRC计算的C代码实现的更多信息和示例,请参考应用笔记6002,“ MAX14900E八通道,高速工业交换机的CRC编程 ”。
当安装了MAX14912或MAX14913时,器件会检查接收到的数据是否存在位损坏,如果未检测到错误,则执行命令。如果从微控制器接收到的CRC码与计算出的CRC不匹配,该命令将被忽略,并将CRC错误位6设置在寄存器6中。CRC错误将在下一个SPI帧上报告给主机微控制器。
CRC计算器内置在MAX14912EVKIT软件中。如果CRC / IN3引脚被驱动为高电平,则CRC字节会自动计算并添加到SPI命令帧中。如果从“选项”菜单中选择了“显示状态日志”选项,则可以在“状态日志”窗口中看到。


图3.数字输出驱动器GUI中的CRC计算
CRC代码可以在CRC计算器弹出窗口中手动计算。转到“帮助”菜单,然后单击CRC计算器将其调出。输入字节1和字节2的值,然后单击Calculate CRC按钮,如图4所示。


图4. CRC计算器弹出窗口
多个IC的菊花链MAX14912和MAX14913允许以单个命令模式同时链接多个器件,并同时控制/监视同一SPI总线上的所有器件。所有设备都使用通用的CLK和CS信号。链中第一个设备的SDI引脚连接到主机的MOSI引脚,最后一个设备的SDO连接到主机的MISO引脚。如图5所示,第一台设备的数据输出(SDO)连接到第二台设备的数据输入(SDI)。其他设备可以采用类似的方式菊花链连接。


图5.菊花链连接
MAX14912 / MAX14913EVKIT允许以菊花链方式连接两个EVKIT,但相同的命令结构适用于三个或更多器件。
例如,两个菊花链设备在16位命令模式下的命令帧。



应当堆叠EVKIT,以便将以下设备EVKIT#2的J24接头连接到EVKIT#1的J23,如图6所示。USB电缆或外部主机应连接到EVKIT#1。此外,EVKIT#1的J26跳线必须在位置2到3,但是EVKIT#2的J26跳线必须在位置1到2。J9,J5,J4,J22,J10,J6,J12上的跳线,EVKIT#2的JMP1,J11,JMP2,J8和J3必须手动设置为与GUI中相同的位置。欲了解更多信息,请参考  MAX14912 / MAX14913  数据手册和原理图。


图6.菊花链式MAX14912EVKIT
应选择菊花链盒,如图7所示。


图7.菊花链操作
菊花链连接的能力不仅限于扩展输出通道的数量,而且还允许与数字输出驱动器和数字输入接收器(例如八路数字输入转换器/串行器系列MAX31910)结合,构建更复杂的系统。  / MAX31913。

驱动感性负载MAX14912和MAX14913具有电感负载的安全去磁(SafeDemag)功能,可防止高端模式下关断电感负载时产生的反冲电压损坏芯片。如果需要驱动较大的电感,例如执行器,继电器或电动机,则当电流从芯片流经负载到地时,电感负载中会存储大量能量。当电流通过高端开关关闭而终止时,该能量将转换为OUT_引脚上的负尖峰。尖峰信号由内部齐纳二极管钳位到(V DD  -56V)的水平。
例如,如果V DD  = 24V,则OUT_引脚相对于地钳位至-32V。在这种情况下,由于能量与| V x I |成正比,因此存储在电感负载中的能量耗散得更快。但是,耗散较大的能量需要更多的时间。在这段时间内,芯片的温度可以达到安全阈值。为防止危险的热失控,低侧开关被激活,以减少能量消耗,直到内部温度达到安全区域为止。

结论Maxim的高度集成的数字输出驱动器系列为系统设计人员提供了大量的鲁棒性,灵活性和功能。它们是为任何工业自动化和通信应用构建高度集成且高效的控制系统的关键要素。


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