低功耗控制器與高DC電壓的接口連接

??????? 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能夠以最高能效方式對數(shù)字輸入電壓進行檢測，檢測范圍最低可達 6Vdc，最高可達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計為背景來對這種器件進行研究(請參見圖 1)。一般而言，高壓總線為一組傳感器開關即 S0 – S7 供電，其開/關狀態(tài)由器件的八個現(xiàn)場輸入即 IP0 – IP7 來檢測。內(nèi)部信號處理將輸入信號轉(zhuǎn)換為低伏電平，并將其應用于并行輸入、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 輸入施加一個時鐘信號，根據(jù)該信號以串行方式將數(shù)據(jù)從 DIS 中移位，然后通過數(shù)字隔離器進入一個控制器寄存器，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距離傳感器開關接地電位，同控制器電子器件的局部接地電隔離。

　　圖1數(shù)字輸入串行器的典型結(jié)構

　　適用于高伏接口的一些傳感器開關包括接近開關、繼電器觸、限位開關、按鈕開關等等。就高輸入電壓而言，輸入電阻器 RIN0到 RIN7的實施對于將輸入開關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 34V 的電源電壓可以直接作用于電源接線端和八個輸入端，無需保護電阻器。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。另一個輔助功能是片上溫度傳感器，其在結(jié)溫達到 150oC 時便向控制器發(fā)出報警。

　　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 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，從而導致其功耗急劇上升。與之相比，由于將輸入電流限制在某個恒定電平，而這一電平可以通過使用一個外部精密電阻器來進行調(diào)節(jié)，因此 DIS 的輸入極大地降低了功耗。

　　另外，每條通道都對其輸入信號進行強度和耐力檢查。這種電流、電壓檢測功能具有一些內(nèi)部信號閾值，用于確保通道不會被漏電流或者殘留電壓觸發(fā)。

　　在導通狀態(tài)(開關關閉)的情況下，電流比較器檢測輸入電流是否高于預定義的漏電流閾值，而電壓比較器則檢測輸入電壓是否高于內(nèi)部設定的基準電壓。如果兩個比較器輸出均為邏輯高電平，則可編程去抖動濾波器檢查輸入狀態(tài)的新變化是否由噪聲瞬態(tài)或者真輸入信號所引起。

　　導通狀態(tài)時，濾波器輸出為高電平，同時電流限制器輸出連接至信號返回輸出(Rex)。每個 RE-輸出均有一個發(fā)光二極管 (LED) 連接接地層，從而實現(xiàn)傳感器開關狀態(tài)的可視化指示。因此，如果某個開關關閉，則 LED 亮起。在斷開狀態(tài)(開關打開)下，濾波器輸出為低電平，同時電流限制器的輸出接地，則 LED 不亮。

　　輸入配置

　　針對某種應用對數(shù)字輸入串行器進行配置時，只有兩個重要的參數(shù)，即輸入電流限制 IIN-LIM和導通閾VIN-ON。這兩個參均通過外部電阻器 RLIM 以及 RIN0 到 RIN7來進行調(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，來單獨設定每條通道的導通閾值。

　　電流限制器內(nèi)部實現(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。利用一個反射系數(shù)為 n = 72 的電流鏡，通過基準電流 IREF推導出 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 帶隙基準與外部電阻器 RLIM的比計算得到：

?

. 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，即設置理想電流限制所需的電阻器值：

. 方程式4

?

　　現(xiàn)場輸入導通閾值電壓 VIN-ON，與電流限制、輸入電阻器以及器件輸入的導通閾值電壓 VIP-ON有關。VIP-ON等于內(nèi)部電壓檢測比較器的固定 5.2V 基準電壓。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計算結(jié)果，得到：

方程式6

?

　　然后求解 RIN，得到設置規(guī)定電流限制條件下理想導通閾值所要求的輸入電阻器值：

方程式7

?

　　因此，針對各種應用對 DIS 進行完全配置只需要兩個方程式，即方程式3 用于設置電流限制，而方程式7 用于達到理想導通閾值電壓。根據(jù)這兩個方程式，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。