具有集成浪涌保护功能的小封装 TIOS102 和 TIOS102x 数字传感器输出驱动器

在工业传感器应用领域，一款性能出色的数字驱动器对于系统的稳定运行至关重要。TI 推出的 TIOS102 和 TIOS102x 系列数字传感器输出驱动器，凭借其集成的浪涌保护功能和小封装设计，成为了众多工程师的理想选择。下面将对这款驱动器进行详细介绍。

文件下载：tios1023.pdf

一、产品概述

特性亮点

• 宽电源运行：TIOS102 和 TIOS1023 的电源电压范围为 4.75V 至 36V，TIOS1025 则为 7V 至 36V，能够适应不同的电源环境。
• 可配置输出：支持 PNP、NPN 或推挽可配置输出，满足多样化的应用需求。
• 集成保护功能：集成了 IEC 61000 - 4 - 4/5 EFT 和浪涌保护，能承受高达 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，还具备反向极性保护功能，可应对欠压、过流和过热等情况。
• 小封装设计：提供 3mm x 3mm 10 引脚 VSON 封装（与 TIOS101 引脚兼容）和 2.45 mm x 1.7 mm DSBGA 封装等节省空间的选项。

应用领域

适用于接近开关、电容式和电感式传感器、传动器以及数字输出等多种应用场景。

二、引脚配置与功能

不同封装的引脚功能

• VSON 封装：包含 VCC_IN、NFAULT、IN、EN、ILIM_ADJ 等引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，VCC_IN 用于 3.3 - V 或 5 - V 线性稳压器输出，NFAULT 用于向微控制器输出故障指示信号。
• DSBGA 封装：引脚功能与 VSON 封装类似，但部分引脚的名称和配置有所不同。如 B3 引脚对应 VCC_IN 或 VCC_OUT 功能。

引脚功能详解

• 电源相关引脚：VCC 为电源电压输入，VCC_IN/OUT 用于逻辑电源输入或线性稳压器输出，为外部组件提供稳定的电源。
• 控制与信号引脚：IN 用于传输数据输入，EN 用于驱动使能输入，NFAULT 用于故障指示输出，方便工程师实时监测驱动器的工作状态。
• 电流限制引脚：ILIM_ADJ 用于通过连接外部电阻来配置输出电流限值，实现对输出电流的灵活控制。

三、规格参数

绝对最大额定值

• 电压方面：VCC 和 OUT 的稳态电压范围为 - 65V 至 65V，瞬态脉冲宽度 < 100 µs 时为 - 70V 至 70V，电压差 |V(VCC) – V(OUT)| 最大为 65V。
• 其他参数：逻辑电源电压、输入逻辑电压、输出电流等都有相应的最大额定值限制，超出这些范围可能会导致器件永久损坏。

ESD 评级

• 人体模型（HBM）：所有引脚的静电放电耐受能力为 ±4000V。
• 充电器件模型（CDM）：所有引脚为 ±750V。同时，在 IEC 规格下，VCC、OUT 和 GND 引脚在不同测试条件下也有相应的 ESD 耐受能力。

推荐工作条件

• 电源电压：TIOS102、TIOS1023 和 TIO1023L（3.3V 输出）的推荐电源电压为 4.75V 至 36V，TIOS1025 和 TIOS1023L（5V 输出）为 7V 至 36V。
• 其他参数：逻辑电平输入电压、外部电阻、数据速率、LDO 输出电流、工作环境温度和结温等都有明确的推荐范围。

热信息

不同封装的 TIOS102 和 TIOS102x 器件在热性能方面有所差异，如结到环境热阻、结到外壳热阻等参数不同，工程师在设计时需要根据实际情况进行考虑。

电气特性

涵盖了电源静态电流、逻辑输入电压、控制输出电压、驱动器输出电阻和电流等多个方面的电气参数，这些参数在不同的测试条件下有相应的典型值和范围，为工程师提供了详细的设计参考。

开关特性

包括驱动器传播延迟、使能和禁用延迟、输出上升和下降时间等参数，这些特性对于驱动器在高速开关应用中的性能表现至关重要。

四、详细特性描述

电流限制配置

通过在 ILIM_ADJ 引脚连接外部电阻，可以灵活配置输出电流限值。不同的电阻值对应不同的电流限制范围，并且可以根据需要选择是否启用输出禁用和自动恢复功能。例如，当 ILIM_ADJ 引脚连接 10 kΩ 至 110 kΩ 电阻时，输出电流限制在 35 mA 至 300 mA 之间，且具备输出禁用和自动恢复功能；当 ILIM_ADJ 引脚接地时，可提供至少 500 mA 的电流，但输出禁用和自动恢复功能将被禁用。

电流故障检测、指示与自动恢复

当输出电流超过内部设定的电流限值且持续时间超过 tsc 时，NFAULT 引脚将被拉低以指示故障状态，输出将被关闭，但 LDO 仍继续工作。输出会周期性地重试，以检查是否仍处于过流状态。通过设置 ILIM_ADJ 引脚为 OPEN 或 GND 可以禁用电流故障自动恢复模式。

热警告与热关断

当芯片温度超过 $T{(WRN)}$ 时，NFAULT 标志将被拉低，提示可能存在过热问题；当结温超过 $T{(SDN)}$ 时，输出将被禁用，但 LDO 仍可正常工作。当温度下降到阈值以下（经过 $T_{(HYS)}$ 后），内部电路将根据 EN 和 IN 引脚的状态重新启用驱动器。

故障报告（NFAULT）

NFAULT 引脚在检测到电流故障、芯片温度超过 $T_{(WRN)}$ 或电源电压低于 UVLO 阈值时将被拉低，当所有故障条件消除后，NFAULT 将恢复为高阻抗状态。

设备功能表

详细列出了不同 EN 和 IN 输入状态下，OUT 引脚的输出状态和相应的功能描述，帮助工程师理解和配置驱动器的工作模式。

集成电压调节器（LDO）

TIOS1023 和 TIOS1025 集成了线性电压调节器（LDO），可为外部组件提供电源。LDO 输出电压可通过 VSEL 引脚进行配置，支持 3.3V 和 5V 两种输出选项，最大输出电流可达 20 mA，并且在初始上电时，LDO 输出电流限制为 35 mA，以限制涌入电流。

反向极性保护

该功能可保护器件免受 VCC、OUT 和 GND 引脚意外反接的影响，任何引脚之间的最大电压不得超过 65V DC。

集成浪涌保护和瞬态波形耐受能力

VCC 和 OUT 引脚能够承受高达 1.2 kV 的 1.2/50 – 8/20 μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，测试时需在 VCC 和 GND 之间连接至少 100 nF 的电源去耦电容，在 VCC_IN/OUT 和 GND 之间连接 1 µF 的电容。对于更高的瞬态保护要求，可能需要外部 TVS 二极管。

上电顺序

VCC_IN 和 VCC 域可以按任意顺序上电。当 VCC 上电而 VCC_IN 未上电时，OUT 引脚将保持高阻抗状态。

欠压锁定（UVLO）

当 VCC 电压低于 $V{(UVLO)}$ 时，器件将进入 UVLO 状态，NFAULT 引脚被拉低，LDO 关闭，OUT 输出禁用（高阻抗）。当电源电压上升到 $V{(UVLO)}$ 以上时，NFAULT 将恢复为高阻抗（无其他故障条件下），LDO 将立即启用，OUT 输出将在 $T_{(UVLO)}$ 延迟后开启。

设备功能模式

• NPN 配置（N - 开关模式）：将 IN 引脚设置为高电平（或开路），使用 EN 引脚作为控制信号，可实现 OUT 引脚的 N - 开关功能（低侧配置）。
• PNP 配置（P - 开关模式）：将 IN 引脚设置为低电平，使用 EN 引脚作为控制信号，可实现 OUT 引脚的 P - 开关功能（高侧配置）。
• 推挽模式：将 EN 引脚设置为高电平，通过切换 IN 引脚的电平，可实现 OUT 引脚的推挽输出功能。

五、应用信息

典型应用设计要求

在典型应用中，需要考虑输入电压范围、输出电流、输出电压、LDO 输出电流、上拉电阻、去耦电容等参数。例如，输入电压范围推荐为 24V 至 30V（最大），输出电流选择 200mA 时，可通过选择合适的 RSET 电阻（如 27kΩ）来设置电流限制。

详细设计步骤

最高结温检查

在设计过程中，需要计算驱动器的功耗和结温，以确保结温不超过建议的最大值。例如，对于 200mA 电流限制，通过计算高侧开关的压降和 LDO 输出电流的功耗，得出总功率耗散，再结合结至环境热阻计算出结温与环境温度的差值，最终得到结温。只要结温低于 150°C，就不会发生热关断，但如果接近 $T_{(WRN)}$，可能会产生热警告。

驱动容性负载

TIOS102 和 TIOS102x 能够驱动 OUT 输出的容性负载。在假设纯容性负载（无串联/并联电阻）的情况下，可以通过公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 计算不触发电流故障时可充电的最大电容值。为了驱动更高的容性负载并避免过流情况导致驱动器禁用，建议将 ILIM_ADJ 引脚浮空，或者在输出和负载之间串联一个电阻。

驱动感性负载

该系列驱动器能够对大电感负载进行磁化和消磁。在 P - 开关或 N - 开关模式下，内部电路可实现快速消磁。在 P - 开关配置中，OUT 引脚驱动高电平时，负载电感 L 被磁化；当 PNP 关断时，OUT 引脚会出现约 - 15V 的负电感反冲，该电压会被内部钳位。同理，在 N - 开关配置中，OUT 引脚驱动低电平时，负载电感 L 被磁化；当 NPN 关断时，OUT 引脚会出现约 15V 的正电感反冲，也会被内部钳位。可以通过公式 $R=frac{V{(VCC)}}{I{O(LIM)}}$ 计算电阻性负载 R 的最小值。

应用曲线

文档中提供了多个应用曲线，如 OUT 在电流故障自动恢复时的低侧和高侧模式曲线、OUT 驱动感性负载时的高侧和低侧模式曲线以及 OUT 驱动容性负载时的推挽模式曲线等，这些曲线直观地展示了驱动器在不同应用场景下的性能表现。

六、电源供应与布局建议

电源供应

TIOS102 和 TIOS102x 设计为在 VCC 端采用 24V 标称电源供电，但可在 7V 至 36V（TIOS1025）或 4.75V 至 36V（TIOS102、TIOS1023）的电源电压范围内工作。建议使用至少 100 - nF/100 - V 的电容对电源进行缓冲。

布局指南

• 电路板选择：推荐使用 4 层电路板，以实现良好的热传导。顶层用于控制信号，第二层作为 GND 层，第三层作为 24 - V 电源平面（VCC），第四层作为稳压输出电源平面（VCC_IN/OUT）。
• 热性能优化：将散热垫通过尽可能多的热过孔连接到 GND，以实现最佳的热性能。使用完整的平面用于 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以确保最小的电感。
• 电容放置：在 VCC 端使用低 ESR 陶瓷去耦电容（最小 100 nF）进行接地去耦，电容的额定电压至少为 50V（根据最大传感器电源故障额定值可能需要 100V），并采用 X5R 或 X7R 电介质。电容应尽可能靠近 VCC 和 GND 端子放置，以减少大电源电流负载时的电源压降。
• 其他连接：将所有开漏控制输出通过 10 kΩ 上拉电阻连接到 VCCIN/OUT 平面，为系统控制器输入提供确定的电压电位；将 $R{SET}$ 电阻连接在 ILIM_ADJ 和 GND 之间；在 VCC_IN/OUT 端使用低 ESR、1 μF 的陶瓷去耦电容进行接地去耦，电容额定电压至少为 10V，采用 X5R 或 X7R 电介质。

七、设备与文档支持

文档更新通知

工程师可以导航至 ti.com 上的器件产品文件夹，点击“订阅更新”进行注册，以每周接收产品信息更改摘要。详细的更改信息可查看修订文档中的修订历史记录。

支持资源

TI E2E™ 支持论坛是工程师获取帮助的重要资源，可直接从专家处获得快速、经过验证的解答和设计帮助。

静电放电警告

静电放电（ESD）可能会损坏集成电路，德州仪器（TI）建议采取适当的预防措施处理所有集成电路，以避免因不正确的处理和安装程序导致器件损坏。

TIOS102 和 TIOS102x 系列数字传感器输出驱动器凭借其丰富的功能和出色的性能，为工业传感器应用提供了可靠的解决方案。工程师在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理配置引脚、选择合适的工作模式，并注意电源供应和布局设计，以充分发挥该驱动器的优势。大家在实际应用中有没有遇到过类似产品的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。