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

在工业传感器领域，一款性能出色的数字驱动器能为系统的稳定运行提供有力保障。TIOS102 和 TIOS102x 数字传感器输出驱动器就是这样一款值得关注的产品，它具备多种特性和功能，能满足不同的应用需求。下面我们就来详细了解一下。

文件下载：tios1025.pdf

产品特性与应用

产品特性

• 宽电源运行：TIOS102 和 TIOS1023 的电源电压范围为 4.75V 至 36V，TIOS1025 的电源电压范围为 7V 至 36V，能适应多种不同的电源环境。
• 可配置输出：支持 PNP、NPN 或推挽可配置输出，为设计提供了更多的灵活性。
• 集成保护功能：集成了反向极性保护、EMC 保护等功能，能有效保护器件免受过压、过流和过热等情况的影响，提升系统的稳定性。
• 小封装设计：提供 3mm x 3mm 10 引脚 VSON 封装和 2.45 mm x 1.7 mm DSBGA 封装等小型封装选项，节省空间，便于集成到各种设备中。

应用场景

该驱动器适用于多种应用场景，如接近开关、电容式和电感式传感器、传动器以及数字输出等。

产品详细说明

功能安全设计

TIOS102(x) 器件能够承受高达 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，并且集成了反向极性保护功能，同时还提供有助于进行功能安全系统设计的文档，为系统的安全运行提供了保障。

电气性能提升

与 TIOS101(x) 引脚兼容，并在性能上有所提升。例如在 200mA 条件下，残余电压低至 0.5V（典型值）；提供驱动器电流限制能力，改善了封装的热性能；更低的驱动器压摆率，可减少过冲（最大 750ns）。

输出电流配置

通过一个引脚可编程接口便可轻松连接到电路，可使用外部电阻器配置输出电流限值，可配置驱动器过流限制范围为 50mA 至 350mA。

故障报告与保护

提供故障报告和内部保护功能，可应对欠压、过流和过热条件。当出现故障时，NFAULT 引脚会发出指示信号，方便工程师及时发现问题。

集成式 LDO 选项

TIOS1023 和 TIOS1025 分别集成了 3.3V 和 5V 的 LDO，可支持高达 20mA 的电流，为外部组件提供稳定的电源。TIOS1023L 还提供可选的 3.3V/5V LDO 输出，可通过 VSEL 引脚进行配置。

产品规格参数

绝对最大额定值

• 电压范围：VCC 和 OUT 的稳态电压范围为 - 65V 至 65V，瞬态脉冲宽度 < 100 µs 时的电压范围为 - 70V 至 70V。
• 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限制范围，超出这些范围可能会导致器件损坏。

ESD 评级

该器件具有良好的 ESD 防护能力，人体模型（HBM）下所有引脚的静电放电电压为 ±4000V，充电设备模型（CDM）下为 ±750V。同时，在 IEC 标准下，VCC、OUT 和 GND 引脚的 ESD 接触放电为 ±8000V，电气快速瞬变（EFT）为 ±4000V，浪涌为 ±1200V。

推荐工作条件

• 电源电压：TIOS102、TIOS1023 和 TIO1023L（3.3V 输出）的电源电压范围为 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 输出电流等都有相应的推荐值，在这些条件下工作能保证器件的性能和可靠性。

热性能信息

不同封装的器件在热性能上有所差异，例如 TIOS102、TIOS1023 和 TIOS1025 DRC（10 引脚）的结到环境热阻为 45.9°C/W，而 TIOS102 和 TIOS1023L YAH（12 引脚）为 79.3°C/W。

电气特性

在不同的测试条件下，器件的电源电流、输入输出电压、电阻等参数都有相应的数值范围，这些参数是工程师进行电路设计和性能评估的重要依据。

开关特性

驱动器的传播延迟、使能延迟、禁用延迟、输出上升和下降时间等开关特性也有明确的规定，这些特性影响着器件的响应速度和信号质量。

产品功能特性

电流限制配置

输出电流可通过 ILIM_ADJ 引脚的外部电阻进行配置。当外部电阻为 10 kΩ 时，在工作温度和电压范围内可设置最小 300 mA 的电流限制。将 ILIM_ADJ 引脚浮空可禁用输出因电流故障而关闭和电流故障自动恢复功能，但电流故障指示仍然有效，这在驱动大电容负载时非常有用。当 ILIM_ADJ 引脚接地时，TIOS102(x) 可配置为源或吸收最小 500 mA 的电流，此时电流故障指示和输出禁用及自动恢复功能均被禁用。

电流故障检测、指示与自动恢复

当 OUT 引脚的输出电流超过内部设定的电流限制 $I{O(LIM)}$ 且持续时间超过 $t{sc}$ 时，NFAULT 引脚将被驱动为逻辑低电平，以指示故障状态。此时输出将关闭，但 LDO 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 = OPEN 或 GND 可禁用电流故障自动恢复模式，切换 EN 引脚可清除 NFAULT 信号。

热警告与热关断

当芯片温度超过 $T{(WRN)}$ 时，NFAULT 标志将保持低电平，指示可能存在过热问题。当 $T{J}$ 超过 $T{(SDN)}$ 时，输出将被禁用，但 LDO 仍保持工作。当温度下降到温度阈值以下（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）

当检测到电流故障、芯片温度超过 $T_{(WRN)}$ 或电源电压下降到 UVLO 阈值以下时，NFAULT 引脚将被拉低。当所有三个故障条件都清除后，NFAULT 引脚将恢复到高阻抗状态。

设备功能模式

• NPN 配置（N - 开关模式）：将 IN 引脚设置为高电平（或浮空），使用 EN 引脚作为控制信号，可在 OUT 引脚实现 N - 开关（低侧配置）的功能。
• 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，可在 OUT 引脚实现 P - 开关（高侧配置）的功能。
• 推挽模式：将 EN 引脚设置为高电平，通过切换 IN 引脚作为控制信号，可在 OUT 引脚实现推挽输出的功能。

应用设计

典型应用设计要求

在典型应用中，需要根据具体需求选择合适的器件和参数。例如，输入电压范围、输出电流、输出电压、LDO 输出电流、上拉电阻、去耦电容等都需要根据系统设计要求进行选择。

详细设计过程

• 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。通过计算驱动器输出电流限制、开关压降、LDO 功耗等参数，结合结至环境热阻，可得到结温和环境温度之间的差值，进而计算出最终结温。只要结温低于 150°C，就不会发生热关断，但如果结温接近 $T_{WRN}$，则可能会生成热警告。
• 驱动容性负载：该器件能够驱动 OUT 输出上的容性负载。在假设纯容性负载且无串联/并联电阻的情况下，可通过公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 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：TIOS102(x) 系列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，器件内部电路可实现快速消磁。在 P - 开关配置中，当 OUT 引脚驱动为高电平时，负载电感 L 被磁化，当 PNP 关断时，OUT 引脚会出现约 - 15V 的负电感反冲电压，该电压会被内部钳位。在 N - 开关配置中，当 OUT 引脚驱动为低电平时，负载电感 L 被磁化，当 NPN 关断时，OUT 引脚会出现约 15V 的正电感反冲电压，同样会被内部钳位。

布局与设计建议

布局指南

• 电路板选择：建议使用 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，第三层用于 24V 电源平面（VCC），第四层用于稳压输出电源（VCC_IN/OUT）。
• 热性能优化：将散热焊盘通过尽可能多的热过孔连接到 GND，以获得最佳的热性能。使用完整的平面来布置 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以确保最小的电感。
• 电容配置：VCC 端子必须通过一个低 ESR 的陶瓷去耦电容连接到地，电容值最小为 100 nF，电压额定值最小为 50V（根据最大传感器电源故障额定值可能需要 100V），且应采用 X5R 或 X7R 电介质。电容应尽可能靠近 VCC 和 GND 端子，以减少大电源电流负载时的电源压降。同时，将稳压输出电压 VCC_IN/OUT 通过一个低 ESR、1 μF 的陶瓷去耦电容连接到地，电容的电压额定值最小为 10V，电介质为 X5R 或 X7R。
• 电阻连接：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。

电源供应建议

TIOS102 和 TIOS102x 设计为在 VCC 端使用标称 24V 的电源供电，但可在 7V 至 36V（TIOS1025）或 4.75V 至 36V（TIOS102、TIOS1023）的电源电压范围内工作。该电源应使用至少一个 100 - nF/100 - V 的电容进行缓冲。

总结

TIOS102 和 TIOS102x 数字传感器输出驱动器凭借其丰富的特性、出色的性能和良好的保护功能，为工业传感器应用提供了一个可靠的解决方案。在使用过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择器件、配置参数，并注意布局和设计要点，以充分发挥其优势，确保系统的稳定运行。大家在实际应用中是否遇到过类似器件的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。