ZHCAEQ6 August 2024 ISO1228 , TPS274C65
引言
數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊是最常見的 PLC 模塊類型。在某些應(yīng)用中，需要靈活地將通道配置為輸入或輸出。例如，在 DCS 系統(tǒng)中，可在接線和傳感器安裝后進行配置。此外，在高可用性系統(tǒng)中，可用于多個通道的冗余通道很少，因此需要在該通道類型發(fā)生故障時將其配置為一種類型。
本應(yīng)用簡報介紹了如何使用標準高側(cè)開關(guān) (HSS) 輸出和標準數(shù)字輸入器件構(gòu)建 8 通道可配置數(shù)字輸入/輸出 (DIO) 模塊。
該模塊可按每個通道獨立配置為數(shù)字輸入 (DI) 或數(shù)字輸出 (DO)。所有通道均可承受符合 IEC6100-4-2 標準的 ESD、EFT 和浪涌事件。8 通道 DIO 模塊采用大約 36V 的 12V 場電源工作。
8 個 DI 通道可配置為 IEC 61131-2 1 類或 3 類灌入數(shù)字輸入，輸入電壓高達 36V。有兩組輸入通道：當啟用 DO 時，可以單獨禁用 DI 通道 CH3、CH5、CH6 和 CH7。即使啟用了 DO，DI 通道 CH1、CH2、CH4 和 CH8 也始終開啟，這些通道演示了如何使用 DIN 來診斷 DO 路徑。
DO 通道為高側(cè)。DI 和 DO 都與控制器端隔離。
圖 1 方框圖設(shè)計方框圖展示了 DIO 功能的構(gòu)建方式。8 通道 DIO 設(shè)計使用 MSPM0L1306 作為控制器。ISO1228 用于實現(xiàn) DI 和隔離，TPS274C65 用于實現(xiàn) DO 功能，ISO6741 用于隔離 DO 功能?？刂破鱾?cè)由 5V 背板電源生成的 3.3V 電源供電。場側(cè)由電壓可達 38.5V 的場電源供電。TPS274C65 集成穩(wěn)壓器將場電源轉(zhuǎn)換為 3.3V，以便為 ISO6741 隔離器場側(cè)電源供電。
TPS274C65 和 ISO1228 都具有 SPI。一個 MSPM0L1306 SPI 通道用于控制兩個器件。
系統(tǒng)實現(xiàn)和注意事項
軟件說明
由于 DO 和 DI 器件之間的 SPI 模式不同，因此在初始化這兩個器件并在 DI/DO 模式之間切換時需要特別注意。圖中所示是一個簡單的 DIO 基本軟件流程圖。首先，它會復(fù)位 ISO1228 并讀取 TPS274C65 的 RC（讀取以清除）類型寄存器以清除數(shù)據(jù)。例如，VDD_UVLO 在上電時可以標記為故障，TPS274C65 默認鎖存故障位，僅在讀取時清除。因此，我們在開始時進行讀取以清除寄存器，監(jiān)測后續(xù)操作時發(fā)生的故障。
圖 2 軟件流程圖SPI 硬件配置
一個控制器 M0 使用 SPI 與一個 ISO1228 和兩個 TPS274C65 器件通信。ISO6741 器件具有三個正向通道和一個反向通道。來自 M0 連接的 SCLK SDI CS0 信號連接到三個正向通道。TPS274C65 的 SDO 連接到反向通道。
M0 直接連接到 ISO6741 和 ISO1228，例如兩個器件連接到一個控制器。SPI 多外設(shè)配置對每個器件使用單獨的 CS 信號。
即使另一個器件的數(shù)據(jù)無效，控制器 M0 也只需要在發(fā)送數(shù)據(jù)時將一個 CS 置為有效。當 CS 被清除時，SDO 可處于高阻抗狀態(tài)。否則，兩個器件會同時驅(qū)動 SDO，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。
由于隔離器驅(qū)動 SPI 信號，ISO1228 (CS2) 的片選信號需要連接到 ISO6741 EN1 引腳。當 ISO1228 發(fā)送數(shù)據(jù)時，這會將 ISO6741 的 OUTD 設(shè)置為高阻抗。OUTD 用于將 TPS274C65 的 SDO 信號發(fā)送到 M0。當 EN1 為低電平時，ISO6741 OUTD 處于高阻態(tài)。當 CS2 引腳有效時，ISO1228 會發(fā)送 SDO 信號。
對于 DO 端，SPI 線通過 ISO6741 連接到一對 TPS274C65。TPS274C65 可以支持可尋址 SPI 配置和菊花鏈配置。
SPI 模式配置
對于 TPS274C65 和 ISO1228 器件，需要單獨調(diào)整 SPI 時鐘極性和相位?？梢哉{(diào)整微控制器 SPI 外設(shè)時鐘極性和時鐘相位，它們由 CTL0.SPO 位和 CTL0.SPH 位設(shè)置。
時鐘極性 (CTL0.SPO) 用于控制不傳輸數(shù)據(jù)時的時鐘極性，僅在 Motorola SPI 幀模式下使用。
值 (0x0h) 表示不傳輸數(shù)據(jù)時控制器在 CLKOUT 引腳上產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)低電平值，而值 (0x1h) 表示不傳輸數(shù)據(jù)時控制器在 CLKOUT 引腳上產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)高電平值。
時鐘相位 (CTL0.SPH) 位選擇捕捉數(shù)據(jù)的時鐘邊沿。由于可以允許或不允許在第一個數(shù)據(jù)捕獲沿之前進行時鐘轉(zhuǎn)換，因此這對第一個傳輸位的影響最大。請參閱 Motorola SPI 幀模式部分以查看示意圖。
值 (0x0h) 表示數(shù)據(jù)在第一個時鐘邊沿轉(zhuǎn)換時捕獲，值 (0x1h) 表示數(shù)據(jù)在第二個時鐘邊沿轉(zhuǎn)換時捕獲。
對于 TPS274C65，當不傳輸數(shù)據(jù)時，時鐘信號需要為低電平。在第二次時鐘沿轉(zhuǎn)換時捕獲數(shù)據(jù)。因此，在控制 TPS274C65 時，M0 需要將時鐘極性 (CTL0.SPO) 位設(shè)置為 0x0h，將時鐘相位 (CTL0.SPH) 位設(shè)置為 0x1h。
圖 3 TPS274C65 的 SPI 時序對于 ISO1228，當不傳輸數(shù)據(jù)時，時鐘信號也需要為低電平。在首個時鐘沿捕獲數(shù)據(jù)。因此，在控制 ISO1228 時，控制器需要將時鐘極性 (CTL0.SPO) 位設(shè)置為 0x0h，將時鐘相位 (CTL0.SPH) 位設(shè)置為 0x0h。
圖 4 ISO1228 的 SPI 時序因為 ISO1228 和 TPS274C65 的 SPI 模式不同?？刂?2 個器件時需要 SPI 模式切換。設(shè)置 SPI 配置后，可以清除 SPIx.PWREN 寄存器中的 ENABLE 位，以避免在更新期間或之后首次接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時出現(xiàn)不可預(yù)測的行為。
電源配置
TPS274C65 的數(shù)字電源是使用場電源的集成穩(wěn)壓器生成的。要啟用集成穩(wěn)壓器，REG_EN 引腳將保持懸空。
如果使用外部直流/直流來實現(xiàn)較低的功耗，請將 REG_EN 連接到 GND 以禁用內(nèi)部穩(wěn)壓器，使用 TPS274C65 的同一 VS 電源為外部穩(wěn)壓器供電。
必須在 VDD 之前為 TPS274C65 Vs 供電。如果在 VDD 供電時 VS 接地，則大電流會從 VDD 流向 VS 并損壞內(nèi)部保護二極管。如果 VS 懸空，而 VDD 上電。大電流可能流入 VOUT，也會損壞保護二極管。
DO 的漏電流
DO 電流路徑從 VS 途經(jīng) TPS274C65，然后到外部 FET，再到 DIO 端口，再到負載。將灌電流 DI 連接到同一輸出端子可能會導(dǎo)致 DI 發(fā)生一些泄漏。
對于 CH3、CH5、CH6、CH7，一些電流可能會通過 RTHR 泄漏到 ISO1228 輸入通道。對于 CH1、CH2、CH4、CH8，另一個電流可能會通過 RTHR、RPAR、LED 泄漏至接地。由于兩組通道之間有 2 種不同的配置，漏電流有 2 條不同的路徑。DIO 端口和 RTHR 之間的漏電流測試點。
CH3、CH5、CH6、CH7，如圖所示。與通道輸入以及負載電壓相關(guān)的漏電流。
圖 5 CH3、CH5、CH6、CH7 的漏電流最壞的情況是 CH3、CH5、CH6、CH7 均處于 DO ON 狀態(tài)并加載了 50Ω 電阻。一個通道上的漏電流為 0.549mA。此組的總漏電流為：
4×0.549 = 2.196mA
如果 3 個通道（本例中為 CH5、CH6、CH7）處于 DO OFF 狀態(tài)，而只有 CH3 處于 DO ON 狀態(tài)并加載了 50Ω 電阻。CH3 上的漏電流為 1.049mA。CH5、CH6 或 CH7 上的漏電流為 0.004mA。此組的總漏電流為：
1.049+0.004×3 = 1.061mA
表 1 展示了更多測試結(jié)果。較輕的負載可以減少漏電流。導(dǎo)通狀態(tài)下的通道越多，每個通道的漏電流越小，但總漏電流越大。負值表示來自 DI 的電流源，這是由于 ISO1228 內(nèi)部電路連接到 INx 引腳（包括斷線檢測電路）造成的。斷線檢測電路會嘗試檢測 245μA 的輸入電流（在數(shù)據(jù)表中指定為 IWB），如果輸入電流小于 245μA，則斷線檢測電路會報告為斷線。電流 > 245μA 表示沒有斷線。
| CH3 上的負載 (Ω) | CH3 | CH5 | CH6 | CH7 | CH3 上的漏電流 (mA) | 總漏電流 (mA) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 0.549 | 2.296 |
| 50 | 導(dǎo)通 | 關(guān)斷 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 0.633 | 1.903 |
| 50 | 導(dǎo)通 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 導(dǎo)通 | 0.770 | 1.548 |
| 50 | 導(dǎo)通 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 1.049 | 1.061 |
| 50 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | -0.006 | 0.012 |
| float | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 0.574 | 2.296 |
| float | 導(dǎo)通 | 關(guān)斷 | 導(dǎo)通 | 導(dǎo)通 | 0.658 | 1.978 |
| float | 導(dǎo)通 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 導(dǎo)通 | 0.795 | 1.598 |
| float | 導(dǎo)通 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 1.069 | 1.081 |
| float | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 關(guān)斷 | 0.004 | 0.016 |
CH1、CH2、CH4、CH8 如圖 6 所示。漏電流與其他通道的狀態(tài)無關(guān)。測試結(jié)果如表 2 所示。
圖 6 CH1、CH2、CH4、CH8 的漏電流| 負載 (Ω) | 電流漏至 CH1 (mA) | 電流漏至 CH2 (mA) | 電流漏至 CH4 (mA) | 電流漏至 CH8 (mA) |
|---|---|---|---|---|
| 50 | 2.670 | 2.703 | 2.644 | 2.667 |
| float | 2.667 | 2.700 | 2.640 | 2.663 |
采用 DI 時，由于外部 FET 處于關(guān)斷狀態(tài)，TPS274C65 幾乎沒有漏電流。
參考
- 德州儀器 (TI)，TPS274C65xS 具有 SPI 接口和診斷功能的 72mΩ 四通道智能高側(cè)開關(guān) 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，ISO1228 具有電流限制和診斷功能的八通道隔離式數(shù)字輸入 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，ISO674x EMC 性能優(yōu)異的通用增強型四通道數(shù)字隔離器 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，MSPM0L130x 混合信號微控制器 數(shù)據(jù)表。
- 德州儀器 (TI)，MSPM0 L 系列 32MHz 微控制器 技術(shù)參考手冊。