《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高壓應(yīng)用與低功耗控制器的接口連接研究
摘要: 許多商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用都面臨一個(gè)難題,,即如何通過接口將低壓微控制器及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)連接至高壓傳感器開關(guān)和其他數(shù)字,、高壓電路。大多數(shù)情況下,,需要通過這些接口獲取二進(jìn)制(1/0,,或者高/低)狀態(tài)信息形式的反饋,。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。
Abstract:
Key words :

  許多商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用都面臨一個(gè)難題,,即如何通過接口將低壓微控制器及數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 連接至高壓傳感器開關(guān)和其他數(shù)字,、高壓電路。大多數(shù)情況下,,需要通過這些接口獲取二進(jìn)制(1/0,或者高/低)狀態(tài)信息形式的反饋,。

  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,。

 

  數(shù)字輸入串行器的典型結(jié)構(gòu)

  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 150oC 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 1

  IREF 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

  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。

  許多商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用都面臨一個(gè)難題,,即如何通過接口將低壓微控制器及數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 連接至高壓傳感器開關(guān)和其他數(shù)字,、高壓電路。大多數(shù)情況下,,需要通過這些接口獲取二進(jìn)制(1/0,,或者高/低)狀態(tài)信息形式的反饋。

  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。

 

  數(shù)字輸入串行器的典型結(jié)構(gòu)

  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 150oC 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 1

  IREF 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

  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,。

 

  隔離 32-通道數(shù)字輸入模塊

  圖 2 隔離 32-通道數(shù)字輸入模塊

 

  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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