Промышленные цифровые входы и выходы. Часть 2. Цифровые выходы

24 июля

автоматизацияMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых статей на тему ПЛК

В этой части статьи рассказывается об особенностях цифровых выходов и способах их аппаратной реализации с помощью интегральных микросхем производства компании Maxim, а также рассматриваются вопросы коммутации мощных потребителей. При этом основное внимание уделяется обзору различных технологий и методов коммутации индуктивной нагрузки.

Цифровые выходы формируют сигналы, необходимые для управления различными промышленными устройствами. Примерами таких устройств являются реле, актуаторы, электромагнитные клапаны, соленоиды и индикаторы. Цифровые сигналы могут иметь напряжение в диапазоне от 0 В (состояние «выкл») до 60 В (состояние «вкл»), однако обычно применяются уровни 0 В и 24 В. Использование столь высоких напряжений гарантирует, что сигнал после прохождения по длинному кабелю в условиях высокого уровня помех будет безошибочно распознаваться приемником. Для создания модулей цифровых выходов долгое время использовались схемы на дискретных компонентах. При этом существует множество подходов к проектированию. На рисунке 9 представлен пример, в котором микроконтроллер формирует сигналы управления, поступающие на драйверы, которые, в свою очередь, управляют силовыми МОП-транзисторами.

Рис. 9. Модель цифрового выхода на дискретных компонентах

Рис. 9. Модель цифрового выхода на дискретных компонентах

В предложенной схеме МОП-транзисторы могут быть внешними или встроенными в драйвер. У обоих вариантов есть свои преимущества. Встроенные полевые транзисторы гарантируют существенную экономию места на печатной плате. В то же время внешние полевые транзисторы обеспечивают большую гибкость с точки зрения выбора рабочих напряжений и токов. Многие драйверы транзисторов имеют защиту от пониженного напряжения (UVLO), которая контролирует, чтобы уровень напряжения питания был достаточным для правильной работы микросхемы. Некоторые из драйверов имеют защиту от перегрева, возникающего из-за повышения температуры окружающей среды или из-за перегрузки по току. Эта функция предупреждает систему об аварийном состоянии и помогает предотвратить повреждение кристалла или самой микросхемы. Кроме того, разработчики модулей цифровых выходов должны быть уверены, что драйвер способен работать со всеми видами нагрузки, в первую очередь – с индуктивной и резистивной, а иногда и с емкостной. Для обозначения многоканальных драйверов цифровых выходов со встроенными полевыми транзисторами часто используют название «ключи верхнего плеча» (high-side switches). Они обеспечивают настройку и диагностику широкого спектра параметров. Давайте рассмотрим некоторые интегральные микросхемы цифровых выходов.

Восьмиканальная быстродействующая микросхема цифровых выходов

MAX14900E – микросхема, объединяющая восемь мощных выходов с возможностью индивидуальной настройки для работы в режиме ключа верхнего плеча или в режиме комплементарного выхода (push-pull operation), ее схема изображена на рисунке 10. Малая задержка распространения и высокая скорость переключения MAX14900E позволяют создавать высокоскоростные промышленные системы. Каждый ключ верхнего плеча обеспечивает протекание постоянного тока до 850 мА и имеет максимальное собственное сопротивление не более 165 мОм (при токе 500 мА и температуре окружающей среды TA = 125°C). При работе с резистивной нагрузкой задержка распространения сигнала между входом и выходом не превышает 2 мкс. Для работы с длинными кабелями рекомендуется использовать режим комплементарных выходов, который обеспечивает коммутацию нагрузки с частотой ШИМ до 100 кГц. Для достижения повышенных значений токов допускается параллельное включение нескольких ключей верхнего плеча. Микросхема MAX14900E способна работать с широким диапазоном напряжений 10…36 В.

Рис. 10. Типовая схема включения MAX14900E

Рис. 10. Типовая схема включения MAX14900E

открыть картинку в полном формате

Настройка и управление микросхемой MAX14900E осуществляется с помощью SPI и/или параллельного интерфейса. При работе в параллельном режиме восемь логических входов напрямую управляют выходами, а последовательный интерфейс используется для настройки и мониторинга. При работе в последовательном режиме настройка, управление и мониторинг осуществляются с помощью SPI. Для повышения надежности связи по последовательному каналу используется контрольная сумма (CRC). Каждый выходной канал имеет защиту от перегрева и перегрузки по току. Для получения диагностической информации может использоваться либо SPI, либо диагностический выход FAULT.

Восьмиканальная быстродействующая микросхема цифровых выходов с функцией безопасного размагничивания

MAX14912 и MAX14913 – микросхемы, объединяющие по восемь ключей верхнего плеча с токовой нагрузкой до 640 мА. Кроме того, выходы могут работать в комплементарном режиме (push-pull operation), обеспечивая высокую скорость переключений (рисунок 11). Задержка распространения сигнала между входом и выходом не превышает 1 мкс. Каждый ключ верхнего плеча имеет максимальное собственное сопротивление не более 230 мОм при токе нагрузки 500 мА и температуре окружающей среды TA =125°C. Настройка и управление микросхемами осуществляется с помощью SPI и/или параллельного интерфейса. При использовании SPI возможно каскадирование микросхем для получения большего числа выходов. SPI также поддерживает режим команд и позволяет передавать управляющему контроллеру подробную диагностическую информацию. Настройка MAX14912 с помощью SPI возможна как при параллельном, так и при последовательном режимах управления, в то время как MAX14913 поддерживает настройку по SPI только в последовательном режиме.

Рис. 11. Типовая схема включения MAX14912/MAX14913

Рис. 11. Типовая схема включения MAX14912/MAX14913

При работе выходов MAX14912/MAX14913 в режиме ключей верхнего плеча обнаружение обрыва нагрузки возможно при любом состоянии выхода (включенном или выключенном). Для индикации аварийных ситуаций или состояний выходов могут использоваться интегрированные LED-драйверы. Встроенные схемы активного ограничения обеспечивают быстрое выключение индуктивной нагрузки. Выброс напряжения, генерируемый при отключении индуктивной нагрузки, ограничивается на уровне -56 В (типовое значение) относительно потенциала VDD. Чем больше индуктивность и ток, тем больше времени требуется для размагничивания индуктивности. Энергия, накопленная в катушке, рассеивается в самой микросхеме. Чтобы предотвратить перегрев микросхемы, используется функция безопасного размагничивания (safe demagnetization), которая позволяет выходам безопасно выключать любую индуктивную нагрузку. Таким образом, при работе в режиме верхнего ключа у входов нет каких-либо ограничений на величину коммутируемой индуктивности.

Итоговый обзор микросхем цифровых выходов

Характеристики микросхем цифровых выходов обобщены и представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики микросхем цифровых выходов

Наименование Число каналов Конфигурация RON, мОм IOUT, мА VDD, В
MAX14900E 8 Ключ верхнего плеча (high side) или комплементарный выход (Push-Pull) 165 850 10…36
MAX14912/MAX14913 8 Ключ верхнего плеча (high side с функцией безопасного размагничивания) или комплементарный выход (Push-Pull) 230 500 10,5…36

Разработка модулей с цифровыми выходами для сильнотоковой нагрузки

Резистивная нагрузка

Примером резистивной нагрузки являются сигнальные лампы накаливания, которые по-прежнему широко используются в различных устаревших промышленных системах вместо более современных светодиодов. Управлять лампами накаливания значительно сложнее, чем другими элементами индикации. В выключенном состоянии спираль накаливания лампы остывает, а ее сопротивление падает примерно до 20 Ом. Включение лампы сопровождается броском тока (приблизительно 1 А), что может приводить к защитному отключению драйвера из-за перегрузки. По мере того как спираль нагревается, ее сопротивление возрастает до нескольких сотен Ом, а ток уменьшается до нескольких десятков миллиампер. Таким образом, нагрузка на драйвер снижается (рисунок 12). Эту особенность необходимо учитывать при разработке драйверов для ламп накаливания.

Рис. 12. Пусковой ток для типовой лампы накаливания

Рис. 12. Пусковой ток для типовой лампы накаливания

Индуктивная нагрузка и диодная защита 

Типовыми примерами индуктивной нагрузки в промышленности являются двигатели, соленоиды, электромеханические реле. При отключении индуктивной нагрузки происходит выброс напряжения обратной полярности. Перенапряжение является следствием первого закона коммутации, согласно которому ток в катушке индуктивности не может измениться скачком. Выброс напряжения обеспечивает протекание тока в индуктивности в том же направлении, что и до коммутации. Этот всплеск оказывается приложенным непосредственно к транзистору и может оказаться достаточно высоким, чтобы вызвать пробой силового ключа или, как минимум, привести к его деградации и сокращению срока службы. На практике для размагничивания индуктивности чаще всего используется обратный диод (рисунок 13). Когда силовой ключ в данной схеме замкнут, диод смещен в обратном направлении и не проводит ток. Когда ключ размыкается, на индуктивности наводится напряжение обратной полярности, которое смещает диод в прямом направлении. Диод открывается, и через него начинает протекать ток до тех пор, пока накопленная в индуктивности энергия не будет рассеяна.

Рис. 13. Обратный диод

Рис. 13. Обратный диод

Диод должен выдерживать начальный ток, который равен току, протекающему через индуктивность, перед размыканием силового ключа. Кроме того, номинальное напряжение для диода должно превышать размах между положительным и отрицательным уровнями напряжения. Таким образом, при выборе диода следует учитывать два основных фактора: ток диода должен быть больше, чем ток через индуктивность, а допустимое обратное напряжение должно быть, по меньшей мере, в два раза больше, чем удвоенное рабочее напряжение на нагрузке. В промышленных модулях входов-выходов с большим числом каналов обратные диоды занимают достаточно много места и существенно увеличивают стоимость изделия. Другим существенным недостатком предложенного решения является то, что при использовании обратных диодов процесс размагничивания индуктивности существенно затягивается, а медленное затухание тока создает дополнительные проблемы, в частности – «залипание» контактов реле. В приложениях, требующих быстрого переключения, зачастую используют стабилитроны (рисунок 14). Стабилитрон обеспечивает высокую скорость уменьшения тока, а не медленное экспоненциальный затухание. Когда ключ размыкается, ток шунтируется через обратный диод и стабилитрон. При этом напряжение ограничивается на уровне напряжения стабилитрона (плюс прямое падение диода) до тех пор, пока энергия, накопленная в индуктивности, не рассеется.

Рис. 14. Использование стабилитрона для увеличения скорости затухания тока

Рис. 14. Использование стабилитрона для увеличения скорости затухания тока

Активное ограничение при работе с МОП-транзисторами

В большинстве промышленных устройств в роли силового ключа обычно выступает МОП-транзистор. Если в схеме отсутствует защита, то при выключении индуктивной нагрузки напряжение на стоке (VDS) может увеличиваться до тех пор, пока не произойдет пробой МОП-транзистора. В современных ключах верхнего плеча для защиты МОП-транзистора часто используется метод активного ограничения, который подразумевает ограничение напряжения VDS при коммутации индуктивной нагрузки (рисунок 15). В замкнутом состоянии МОП-транзистор работает в режиме насыщения, обеспечивая минимальное значение сопротивления канала RDS. При коммутации транзистор отключается не сразу, вместо этого он переводится в линейную область ВАХ, в которой сопротивление RDS значительно выше. В это время происходит быстрое размагничивание и рассеивание накопленной энергии благодаря высокому напряжению (VDD – VCLAMP). Чем больше разность напряжений – тем быстрее проходит процесс размагничивания. Поэтому производители микросхем часто называют эту функцию «fast-demag» (быстрое размагничивание).

Рис. 15. Ключ верхнего плеча (МОП-транзистор) с активным ограничением

Рис. 15. Ключ верхнего плеча (МОП-транзистор) с активным ограничением

В процессе размагничивания индуктивности МОП-транзистор рассеивает больше энергии, чем нагрузка, поскольку напряжение на МОП-транзисторе выше, чем напряжение на нагрузке. Это означает, что для каждого ключа существует ограничение максимальной коммутируемой индуктивности и тока нагрузки. При превышении допустимой индуктивности или тока МОП-транзистор сталкивается с проблемой перегрева при выполнении активного ограничения.

Важно понимать, что ответственность за обеспечение эффективного отвода тепла от МОП-транзистора при коммутации большой мощности целиком лежит на разработчике. При недостаточном охлаждении повышение температуры кристалла может привести к повреждению силового ключа. Это оказывается наиболее критичным фактором в первую очередь для многоканальных микросхем, широко применяемых в промышленных системах управления.

Безопасное размагничивание

Как правило, промышленные ключи верхнего плеча имеют встроенную защиту от перегрева и перегрузки по току, однако в режиме активного ограничения (при выполнении быстрого размагничивания fast-demag) величина тока определяется только объемом энергии, накопленной в индуктивности, а защитные функции блокируются. Чтобы решить проблему неограниченной рассеиваемой мощности в режиме быстрого размагничивания fast-demag и защитить МОП-транзисторы от перегрева, в восьмиканальных микросхемах MAX14912 и MAX14913 используется новая методика активного ограничения, называемая безопасным размагничиванием (safe demag).

Схема безопасного размагничивания safe demag работает в сочетании со схемой быстрого размагничивания fast-demag и позволяет микросхемам MAX14912/MAX14913 безопасно отключать нагрузку с неограниченной индуктивностью (рисунок 16). При отключении индуктивной нагрузки МОП-транзистор переходит в линейную область ВАХ и рассеивает накопленную в индуктивности энергию по схеме быстрого размагничивания. Если энергия, накопленная в индуктивности, а следовательно – и ток размагничивания, слишком велики, полевой МОП-транзистор начинает перегреваться. В этот момент встроенный датчик температуры формирует предупреждающий сигнал, и схема управления выключает верхний МОП-транзистор и включает нижний полевой МОП-транзистор, который обеспечивает альтернативный низковольтный путь для протекания тока размагничивания. Это позволяет верхнему МОП-транзистору остыть и вернуться в область безопасной работы.

Рис. 16. Пути протекания токов при безопасном размагничивании с помощью МОП-транзистора нижнего плеча

Рис. 16. Пути протекания токов при безопасном размагничивании с помощью МОП-транзистора нижнего плеча

Испытания. Коммутация индуктивной нагрузки

Стандарт 508 Industrial Control Equipment, созданный компанией Underwriter Laboratory (UL), является отраслевым стандартом, который задает требования к промышленным управляющим устройствам и определяет максимальную нагрузку 48 Ом и 1,15 Гн. Эта нагрузка использовалась при проведении испытаний, представленных ниже. Целью испытаний было сравнение эффективности ключей верхнего плеча, использующих различные методы размагничивания. Все тестируемые микросхемы являются восьмиканальными устройствами, однако для демонстрации преимуществ схем активного ограничения по сравнению с обратными диодами используется только один канал (рисунок 17).

Рис. 17. Схема испытаний при коммутации индуктивной нагрузки одним каналом

Рис. 17. Схема испытаний при коммутации индуктивной нагрузки одним каналом

При проведении испытания рассматривался случай, в котором длительность выключенного состояния ключа была значительно больше, чем время размагничивания tDEMAG. Таким образом, энергия, накопленная в индуктивности, успевала полностью рассеяться, прежде чем транзистор опять включался. В испытаниях участвовали микросхемы MAX14900E и MAX14912 (таблица 4). 

Таблица 4. Особенности испытаний при коммутации индуктивной нагрузки

Тест Устройство Режим
Обратный диод MAX14900E Медленное размагничивание
Встроенная схема ограничения MAX14912 Быстрое размагничивание

Тест 1. Медленное размагничивание (обратный диод)

  • В оценочном наборе MAX14900DEVBRD микросхема MAX14900E работает в параллельном режиме. К каждому выходному каналу микросхемы подключены по два диода MURA205T3G, которые выступают в качестве обратных вентилей. Один из диодов подключен к шине питания VDD, а второй – к земле GND. На вход схемы подается прямоугольный сигнал с частотой 1 Гц. Осциллограммы сигналов представлены на рисунке 18:
  • канал 1 (желтый) – входной сигнал;
  • канал 2 (пурпурный) – выходное напряжение;
  • канал 4 (зеленый) – ток индуктивной нагрузки.

Рис. 18. Диаграммы MAX14900E при выполнении размагничивания с обратным диодом

Рис. 18. Диаграммы MAX14900E при выполнении размагничивания с обратным диодом

Как и ожидалось, диоды ограничивают размах отрицательного напряжения на уровне менее 1 В, а процесс размагничивания оказывается медленным и длится приблизительно 94 мс.

Тест 2. Быстрое размагничивание

При проведении испытаний микросхема MAX14912 работает в параллельном режиме с прямоугольным входным сигналом частотой 1 Гц. Осциллограммы сигналов представлены на рисунке 19:

  • канал 1 (желтый) – входной сигнал;
  • канал 2 (пурпурный) – выходное напряжение;
  • канал 4 (зеленый) – ток индуктивной нагрузки.

Рис. 19. Диаграммы MAX14912 при выполнении быстрого размагничивания: а) VCLAMP; б) tDEMAG

Рис. 19. Диаграммы MAX14912 при выполнении быстрого размагничивания: а) VCLAMP; б) tDEMAG

открыть картинку в полном формате

Первый курсор осциллографа измеряет уровень перенапряжения, а второй – показывает время процесса размагничивания.

Выводы по быстрому размагничиванию

Как и ожидалось, схема быстрого размагничивания обеспечивает меньшую длительность размагничивания по сравнению со схемой с обратными диодами. Высокое значение напряжения ограничения MAX14912 (57 В) обеспечивает длительность размагничивания всего 15,4 мс.

Тест 3. Безопасное размагничивание

Чтобы максимально нагрузить микросхему в процессе испытаний, выполнялась одновременная коммутация индуктивной нагрузки всеми каналами. Каждый выход был нагружен на индуктивность 1,5 Гн и сопротивление 27 Ом. Управление всеми входами осуществлялось общим прямоугольным входным сигналом с частотой 2 Гц. Схема испытаний представлена на рисунке 20.

Рис. 20. Схема испытаний при одновременной коммутации индуктивной нагрузки восемью каналами

Рис. 20. Схема испытаний при одновременной коммутации индуктивной нагрузки восемью каналами

Все испытания проводились при комнатной температуре с напряжением питания 24 В. Осциллограммы сигналов при коммутации MAX14912 представлены на рисунках 21, 22 и 23:

  • канал 1 (желтый) – входной сигнал;
  • канал 2 (пурпурный) – выходное напряжение;
  • канал 4 (зеленый) – ток индуктивной нагрузки.

Рис. 21. Диаграммы MAX14912 при одновременной коммутации индуктивной нагрузки всеми каналами

Рис. 21. Диаграммы MAX14912 при одновременной коммутации индуктивной нагрузки всеми каналами

На рисунках 21 и 22 отчетливо видна работа схемы безопасного размагничивания. Когда схема активного ограничения с быстрым размагничиванием начинает перегревать транзистор, активизируется схема безопасного размагничивания. В результате включения нижнего транзистора выходное напряжение падает до 0 В. Когда верхний транзистор остывает, вновь включается схема быстрого размагничивания, а выходное напряжение скачком возвращается к отрицательному значению, определяемому напряжением ограничения. Как видно из графиков, длительность процесса размагничивания увеличивается, а спад тока через индуктивность по мере рассеивания энергии становится более плавным. Рисунок 23 наглядно демонстрирует, что MAX14912 продолжает работать без проблем с перегревом даже при многократных коммутациях значительной индуктивной нагрузки.

Рис. 22. Диаграммы MAX14912 при одновременной коммутации индуктивной нагрузки всеми каналами и при безопасном размагничивании

Рис. 22. Диаграммы MAX14912 при одновременной коммутации индуктивной нагрузки всеми каналами и при безопасном размагничивании

Испытания проводились при комнатной температуре. Однако температура в реальных промышленных приложениях может быть существенно выше, и в таких условиях эффективность микросхем без функции безопасного размагничивания будет значительно хуже.

Рис. 23. Диаграммы MAX14912 при выполнении многократной одновременной коммутации индуктивной нагрузки всеми каналами

Рис. 23. Диаграммы MAX14912 при выполнении многократной одновременной коммутации индуктивной нагрузки всеми каналами

Выводы по испытаниям

Защита силового ключа при коммутациях индуктивной нагрузки является крайне важной задачей для широкого спектра промышленных приложений. У разработчиков есть несколько вариантов ее решения. Как показали испытания, использование обратных диодов дает хорошие результаты, в случае схемы активного ограничения с быстрым размагничиванием они оказываются еще лучше, однако самое лучше решение проблемы обеспечивает схема активного ограничения с безопасным размагничиванием.

Заключение

Специализированные микросхемы Maxim Integrated существенно упрощают построение цифровых выходов. Восьмиканальные ИС MAX14900E, MAX14912 и MAX14913 позволяют создавать чрезвычайно компактные и защищенные решения.

Большим плюсом микросхем Maxim является наличие широкого спектра защитных функций, в том числе – защита от перегрева, от перегрузки по току, от просадки напряжения питания. Кроме того, в этих ИС используется запатентованная технология активного ограничения с безопасным размагничиванием. Эта технология, совместно с традиционным активным ограничением с быстрым размагничиванием, позволяет коммутировать неограниченную индуктивную нагрузку при сохранении высокой скорости выключения.

Следующая часть данного цикла посвящена микросхемам цифровых входов-выходов, а также специализированным микросхемам изоляторов.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

    1. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 1. Цифровые входы

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX14900EAGM+CKT (MAX)
MAX14900EAGM+ (MAX)
MAX14900EAGM+T (MAX)
MAX14900EAGM+TCKT (MAX)
MAX14912AKN+ (MAX)
MAX14912AKN+T (MAX)
MAX14912EVKIT# (MAX)
MAX14912AKN (MAX)
MAX14912PMB# (MAX)
MAX14913EVKIT# (MAX)
MAX14913AKN (MAX)
MAX14913AKN+ (MAX)
MAX14913AKN+T (MAX)
MAX14900DEVBRD# (MAX)