引言

數(shù)字輸出驅(qū)動器廣泛用于工業(yè)應(yīng)用中的過程控制(PLC系統(tǒng))和樓宇自動化，也可用于任何使用24V DC系統(tǒng)進(jìn)行控制的應(yīng)用，例如電機(jī)控制、機(jī)器人和機(jī)械自動化。

 

乍一看，數(shù)字輸出驅(qū)動器是只有兩種輸出狀態(tài)的簡單器件：開或關(guān)；略微深入了解，就會發(fā)現(xiàn)，成功替代機(jī)械開關(guān)和繼電器能夠?yàn)楣こ處煄碇T多好處，例如可靠性、低功耗、簡單、較小尺寸、靈活性，可編程性，可以用其構(gòu)建自動化、容錯控制系統(tǒng)。

 

Maxim的數(shù)字輸出驅(qū)動器擁有高達(dá)200kHz的開關(guān)頻率、快速且安全的電感負(fù)載消磁、負(fù)載開路/低電壓/欠壓檢測、過流和過溫保護(hù)、看門狗定時器以及SPI檢錯。器件能夠承受高達(dá)60V電源尖峰脈沖、±1kV浪涌脈沖，以及高達(dá)12kV ESD沖擊，工作在-40°C至+125°C寬溫工作范圍。

 

本文中，我們討論如何有效利用MAX14912/MAX14913輸出驅(qū)動器的不同特性。為實(shí)現(xiàn)這一目的，我們討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須采取的決策，并了解綜合權(quán)衡因素和MAX14912/MAX14913提供的好處。

 

確定系統(tǒng)工作狀態(tài)

高邊(HS)或推挽(PP)式？

 

一般來說，推挽式工作方式用于高速通信，信號波形應(yīng)具有陡峭的邊沿。該模式的缺點(diǎn)是輸出總處于工作狀態(tài)，為高電平或低電平，不能處于三態(tài)或具有高阻抗，除非使用Global EN引腳。

 

相反，高邊工作方式允許工程師將輸出置于高阻態(tài)，但信號波形很大程度上依賴于負(fù)載阻抗。高邊模式下也可以將輸出并聯(lián)，支持高達(dá)9.6A的較大負(fù)載。

 

因此，工作模式的選擇取決于具體的應(yīng)用。

 

電源要求

 

MAX14912/MAX14913支持從12V至36V的較寬范圍電源，所以能夠用于較寬范圍的應(yīng)用，甚至用于電源要求較低以及容限更寬的系統(tǒng)。這樣可保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和靈活性。

 

集成5V DC-DC轉(zhuǎn)換器省去了額外的電源，最大程度減少外部元件的數(shù)量，以及提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)中的其它器件可由該5V DC電源供電，該電源能夠?yàn)橥獠侩娐诽峁┏^100mA的電流。

 

系統(tǒng)集成

 

數(shù)字輸出驅(qū)動器是低電壓MCU/FPGA與相對高電壓(12V至36V)外設(shè)器件之間的接口，外設(shè)的例子包括執(zhí)行器、電機(jī)、照明燈、繼電器、LED等。器件提供了對電壓和電流尖峰脈沖、電感或電容負(fù)載、磁干擾和靜態(tài)放電的高抗擾性。

 

此外，MAX14912/MAX14913提供全面的診斷能力，包括熱關(guān)斷、開路檢測、低電源和欠壓檢測、過壓和過流保護(hù)。4 × 4 LED驅(qū)動器矩陣可以對每通道的輸出狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行指示。

 

數(shù)字接口

 

MAX14912和MAX14913支持兩種接口：并行和串行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠靈活使用并行或串行接口進(jìn)行控制，或者同時使用兩種接口。為便于理解接口，我們首先了解幾個全局配置引腳。

 

全局配置引腳

 

EN – 該引腳為高電平時，器件處于正常工作模式；該引腳為低電平時，禁止任何輸出操作，例如設(shè)置所有輸出為高阻態(tài)。

 

SRIAL – 該引腳為高電平時，使能串行(SPI)操作；該引腳為低電平時，使能并行操作。

 

PUSHPUL – 該引腳為高電平時，使能推挽式工作模式；該引腳為低電平或浮空時，所有輸出引腳處于高邊工作模式。

 

FLTR – 該引腳為高電平時，使能所有并行邏輯輸入和CS引腳上的尖峰脈沖濾波。

 

并行接口

 

并行接口是基于引腳的簡單接口，用于控制驅(qū)動器輸出。如果SRIAL引腳連接至地(SRIAL = 低電平)，則通過并行接口控制器件。OUT_引腳的狀態(tài)由對應(yīng)IN_引腳和全局配置引腳控制：PUSHPL、FLTR和EN。在并行模式下控制MAX14912/MAX14913，至少需要9個GPIO引腳：控制8個輸入引腳IN_和PUSHPL引腳。FLTR和EN引腳可始終保持為高電平。表1為引腳設(shè)置匯總。

注：MAX14913在并行模式下不允許通過串行接口進(jìn)行配置，而MAX14912即使在SRIAL為低電平時也可通過串行接口進(jìn)行配置。該模式下可訪問除寄存器0之外的全部寄存器(參見下文的“串行接口”部分)。

 

通過串行接口進(jìn)行配置的優(yōu)先級比PUSHPL引腳設(shè)置高。邏輯電平0 (低電平)或1 (高電平)取決于VL輸入，1.6V至5.5V有效。并行模式的缺點(diǎn)是缺少診斷信息。

 

串行接口

 

將SRIAL引腳驅(qū)動為VL電平(SRIAL = 高電平)時，使能SPI串行接口。串行模式下，所有輸出引腳由內(nèi)部寄存器設(shè)置和輸入引腳控制?？赏ㄟ^串行接口引腳訪問寄存器：CS、CLK、SDI和SDO。詳細(xì)信息請參考MAX14912/MAX14913數(shù)據(jù)資料的串行接口部分。

 

循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、看門狗和濾波等部分特性僅受CRC/IN3、WDEN/IN5和FLTR引腳的輸入邏輯控制，而負(fù)載開路檢測和輸出配置由OL/IN1和PUSHPL引腳的輸入邏輯控制或通過寄存器設(shè)置控制。

 

此外，CMND/IN2、CNFG/IN7和S16/IN8的設(shè)置見表2中的匯總。

 

表2. SPI接口模式選擇
 

直接模式

 

直接SPI模式下，不需要命令字節(jié)。16位模式下，高字節(jié)控制輸出電平，低字節(jié)控制輸出配置。CNFG/IN7和S16/IN8設(shè)置為低電平時，只能訪問寄存器0；CNFG/IN7和S16/IN8設(shè)置為高電平時，只能訪問寄存器1和寄存器2。

 

直接模式寫操作期間，通過SDO引腳提供故障(F)和輸出電平(L)診斷信息(參見圖1和表3)。

 

圖1. 16位直接SPI模式下的SPI周期。

 

表3. 16位SPI直接模式位定義
 

總結(jié)：

 

S16/IN8 = 低電平，且CNFG/IN7 = 低電平時，一個字節(jié)的串行數(shù)據(jù)控制OUT_狀態(tài)；S16/IN8 = 低電平，且CNFG/IN7 = 高電平時，一個字節(jié)的串行數(shù)據(jù)控制輸出模式：高邊或推挽式。

S16/IN8 = 高電平，且CNFG/IN7 = 低電平時，兩個字節(jié)的串行數(shù)據(jù)控制OUT_狀態(tài)和輸出模式配置：高邊或推挽式。

S16/IN8 = 高電平，且CNFG/IN7 = 高電平時，第一個字節(jié)設(shè)置輸出配置(高邊/推挽)，第二個字節(jié)使能/禁止負(fù)載開路檢測功能。

建議首先設(shè)置配置寄存器，然后再更新輸出電平。

 

注：返回的F_ (故障)和L_ (電平)信息針對之前寫入的命令。為了獲得實(shí)時故障和電平診斷信息，寫兩次。驅(qū)動器處于高邊模式且使能負(fù)載開路檢測時，無負(fù)載的OUT_引腳由75μA電流上拉至VDD電平。在這種情況下，確定為FAULT條件。

 

命令模式

 

命令模式下，通過SPI接口提供所有特性和增強(qiáng)診斷信息。為設(shè)置為命令模式，CNMD/IN2引腳必須為高電平。S16/IN8和CNFG/IN7引腳輸入被忽略。命令包含命令字節(jié)和之后的數(shù)據(jù)字節(jié)。總共有六種命令類型(命令說明見表4，寄存器映射見表5)。更多信息請參考數(shù)據(jù)資料。

 

表4. 命令模式協(xié)議
 

注：所有故障寄存器只能由任意命令周期中設(shè)置Z = 1清除。

 

表5. 寄存器映射
 

通信錯誤(CRC檢測)

 

循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)是一種檢錯機(jī)制，可提高通信可靠性，以及避免意外執(zhí)行錯誤命令。SPI協(xié)議初始沒有任何檢錯能力，在惡劣工業(yè)環(huán)境下可能破壞串行數(shù)據(jù)。使能CRC檢測時(SRIAL= 高電平，CRC/IN3 = 高電平)，來自SPI主機(jī)的所有命令之后必須有一個包括7位CRC編碼的附加字節(jié)，如圖2所示。

 

圖2. 微控制器應(yīng)提供SDI校驗(yàn)字節(jié)

 

7位CRC編碼，也稱為CRC幀校驗(yàn)序列(FCS)，根據(jù)生成多項(xiàng)式計(jì)算(x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1)。MAX14900E也使用相同的多項(xiàng)式。更多信息以及CRC計(jì)算的C語言示例代碼，請參考應(yīng)用筆記6002：“MAX14900E八通道、高速工業(yè)開關(guān)的CRC編程”。

 

MAX14912或MAX14913安裝好后，器件檢查接收到的數(shù)據(jù)是否存在誤碼，如果未檢測到錯誤則執(zhí)行命令。如果從微控制器接收的CRC編碼與計(jì)算的CRC不一致，則忽略該命令，并置位寄存器6中的第6位CRC錯誤位。在下一個SPI幀將CRC錯誤報(bào)告給主機(jī)微控制器。

 

MAX14912EVKIT評估軟件內(nèi)置有CRC計(jì)算器。如果CRC/IN3引腳為高電平，自動計(jì)算CRC字節(jié)并附加到SPI命令幀。從Option菜單中選中Show Status Log選項(xiàng)后，可在Status Log窗口中看到。

 

圖3. 數(shù)字輸出驅(qū)動器GUI中的CRC計(jì)算。

 

在CRC計(jì)算器彈出式窗口中，可手動計(jì)算CRC編碼。進(jìn)入Help菜單，點(diǎn)擊CRC計(jì)算器，將其調(diào)出。輸入字節(jié)1和字節(jié)2的值，然后點(diǎn)擊Calculate CRC按鈕，如圖4所示。

 

圖4. CRC計(jì)算器彈出式窗口。

 

多個IC的菊鏈配置

 

MAX14912和MAX14913支持多個器件采用菊鏈配置，通過單命令方法控制/監(jiān)測同一SPI總線上的所有器件。所有器件使用相同的CLK和CS信號；第一片器件的SDI引腳連接到主機(jī)的MOSI引腳，最后一片器件的SDO引腳連接到主機(jī)的MISO引腳。第一片器件的數(shù)據(jù)輸出(SDO)引腳連接到第二片器件的數(shù)據(jù)輸入(SDI)引腳，如圖5所示。其它器件通過類似的方式以菊鏈連接。

 

圖5. 菊鏈連接。

 

MAX14912/MAX14913EVKIT支持兩個評估板采用菊鏈連接，但相同的命令結(jié)構(gòu)適用于三片或更多器件。

 

例如，16位模式下兩片器件菊鏈連接的命令幀。

 

 

安裝評估板時，應(yīng)使下一片器件EVKIT #2的J24連接頭連接到上一片器件EVKIT #1的J23，如圖6所示。USB電纜或外部主機(jī)應(yīng)連接到EVKIT #1。此外，EVKIT #1的跳線J26必須處于位置2至3，EVKIT #2的跳線J26應(yīng)處于位置1至2。必須手動將EVKIT #2的跳線J9、J5、J4、J22、J10、J6、J12、JMP1、J11、JMP2、J8和J3的位置設(shè)置為與GUI中一致。更多信息請參考MAX14912/MAX14913數(shù)據(jù)資料和原理圖。

 

圖6. 菊鏈連接的MAX14912EVKIT。

 

如圖7所示，應(yīng)選中菊鏈連接選擇框。

 

圖7. 菊鏈操作。

 

菊鏈連接不僅對擴(kuò)展輸出通道的數(shù)量沒有限制，而且也支持通過組合使用數(shù)字輸出驅(qū)動器和數(shù)字輸入接收器，構(gòu)建更加復(fù)雜的系統(tǒng)。例如八通道數(shù)字輸入隔離器/串行器家族，MAX31910/MAX31913。

 

驅(qū)動電感負(fù)載

MAX14912和MAX14913具有對電感負(fù)載進(jìn)行安全消磁(SafeDemag)的功能，防止高邊模式下電感負(fù)載關(guān)斷時引起的反沖電壓損壞芯片。如果您需要驅(qū)動大電感，例如執(zhí)行器、繼電器或電機(jī)，當(dāng)電流由芯片通過負(fù)載流向地時，電感負(fù)載中儲存較大的能量。當(dāng)高邊開關(guān)關(guān)斷造成電流終止時，能量轉(zhuǎn)換為OUT_引腳上的負(fù)向尖峰脈沖。內(nèi)部齊納二極管將尖峰脈沖箝位到(VDD -56V)。例如，如果VDD = 24V，則將OUT_引腳箝位到-32V (相對于地)。在這種情況下，由于能量與|V x I|成比例，電感負(fù)載中儲存的能量將快速釋放。然而，能量越大，釋放需要的時間越長。在此時間期間，芯片的溫度可能會達(dá)到安全門限。為防止危險的熱擊穿，激活低邊開關(guān)，使能量釋放較小，直到內(nèi)部溫度達(dá)到安全范圍。

 

總結(jié)

Maxim的高度集成數(shù)字輸出驅(qū)動器為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供大量的可靠性、靈活性和豐富功能。這些器件是為工業(yè)自動化和通信應(yīng)用構(gòu)建高度集成和高效控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。