集成浪涌保护的数字传感器输出驱动器——TIOS101、TIOS101x

在电子设计领域，数字传感器输出驱动器是构建稳定、高效系统的关键组件之一。德州仪器（TI）推出的 TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 数字传感器输出驱动器，凭借其集成浪涌保护等一系列特性，在工业传感器等应用中展现出了卓越的性能。今天，我们就来深入了解一下这些器件。

文件下载：tios101.pdf

特性亮点

功能安全与宽电压范围

TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 提供了功能安全相关文档，有助于进行功能安全系统设计。其电源电压范围为 7V 至 36V，输出可配置为 PNP、NPN 或推挽模式。在 250mA 条件下，残余电压低至 1.75V，这对于降低功耗和提高系统效率非常重要。

强大的保护功能

这些器件具有出色的保护能力，能够耐受 ±65V 瞬态电压（时间低于 100µs），在 VCC、OUT 和 GND 上提供高达 60V 的反极性保护，同时在 VCC 和 OUT 上集成了 EMC 保护。具体包括 ±16kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接触放电、±4kV IEC 61000 - 4 - 4 电气快速瞬变以及 ±1.2kV/500Ω IEC 61000 - 4 - 5 浪涌保护。这种强大的保护功能可以有效提高系统的可靠性，减少因外部干扰和异常电压导致的故障。

灵活的电流配置与负载驱动能力

输出电流限制可在 50mA 至 350mA 之间进行配置，通过外部电阻器即可轻松实现。此外，它还具备高达 1.5H 电感负载的快速消磁功能和大电容负载驱动能力，静态电源电流小于 2.2mA，集成式 LDO 选项可支持高达 20mA 的电流。TIOS101 无 LDO，TIOS1013 提供 3.3V LDO，TIOS1015 提供 5V LDO，满足不同的电源需求。

过热与故障保护

具备过热警告和热保护功能，当芯片温度过高时，能够及时发出警告并采取保护措施，避免器件损坏。同时，还设有故障指示灯，通过 NFAULT 引脚输出信号，方便工程师及时发现和处理过流、欠压和过热等故障情况。

小尺寸封装

采用 2.5mm x 3mm 10 引脚 VSON 封装，节省了电路板空间，适合对尺寸要求较高的应用场景。

应用领域

TIOS101 和 TIOS101x 主要应用于接近开关、电容式和电感式传感器的数字输出等工业传感器领域。在这些应用中，其强大的保护功能和灵活的配置能力能够确保传感器系统的稳定运行。

器件详细说明

可配置驱动模式

TIOS101(x) 器件可配置为高侧、低侧或推挽驱动器。通过一个简单的引脚可编程接口，就能轻松连接到控制器电路，输出电流限制可使用外部电阻器进行配置。这种灵活性使得工程师可以根据具体应用需求进行定制化设计。

故障报告与内部保护

器件提供了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 引脚会输出低电平信号，指示故障状态。同时，内部保护机制会自动关闭输出，保护器件不受损坏。

规格参数

绝对最大额定值

在稳态下，VCC 和 OUT 的电压范围为 - 60V 至 60V；在瞬态脉冲宽度小于 100us 时，VCC 和 OUT 的电压范围为 - 65V 至 65V。电压差最大为 60V，逻辑电源电压（TIOS101）为 - 0.3V 至 6V，输入逻辑电压为 - 0.3V 至 6V，输出电流（NFAULT）为 - 5mA 至 5mA，存储温度范围为 - 55°C 至 170°C。

ESD 评级

所有引脚的人体模型（HBM）ESD 为 ±4000V，VCC、OUT 和 GND 引脚的接触放电为 ±16000V，电气快速瞬变为 ±4000V，500Ω 浪涌保护为 ±1200V。

推荐工作条件

推荐的电源电压范围为 7V 至 36V，逻辑电平输入电压（TIOS101 仅适用）在 3.3V 配置下为 3V 至 3.6V，5V 配置下为 4.5V 至 5.5V。外部电阻 RSET 用于 OUT 电流限制，范围为 0 至 100kΩ，信号速率（推挽模式）最大为 250kbps，LDO 输出电流（TIOS1013 和 TIOS1015 仅适用）最大为 20mA，工作环境温度范围为 - 40°C 至 125°C，结温最大为 150°C。

功能特性详解

电流限制配置

输出电流可通过 ILIM_ADJ 引脚的内部电阻进行配置，最大可设置电流限制为 300mA。通过不同的引脚连接方式，可以实现可变电流限制、固定 300mA 电流限制以及禁用输出禁用和自动恢复功能等不同配置。这种灵活的电流限制配置对于驱动不同负载非常有用，特别是在驱动大电容负载时，可以通过禁用自动恢复功能来避免频繁的故障触发。

电流故障检测与恢复

当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 $tsc$ 时，NFAULT 引脚会被驱动为逻辑低电平，指示故障状态，输出会被关闭，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 $ILIM_ADJ = OPEN$ 可以禁用电流故障自动恢复模式。

热保护功能

当芯片温度超过 $T{(WRN)}$ 时，NFAULT 标志会被拉低，指示可能存在过热问题。当 $T{J}$ 超过 $T{(SDN)}$ 时，输出会被禁用，但 LDO 仍然保持工作。当温度下降到阈值以下（并经过 $T{(HYS)}$）后，内部电路会重新启用驱动器，具体取决于 EN 和 IN 引脚的状态。

故障报告

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 阈值时会被拉低。当所有故障条件消除后，NFAULT 会恢复到高阻抗状态。

设备功能模式

这些器件可以在三种不同模式下工作：NPN 配置（N - 开关模式）、PNP 配置（P - 开关模式）和推挽模式。通过设置不同的 EN 和 IN 引脚状态，可以实现不同的功能。例如，在 NPN 配置中，将 IN 引脚设置为高电平（或开路），使用 EN 引脚作为控制信号，可在 OUT 端实现 N - 开关功能。

应用设计

典型应用设计要求

在典型应用中，推荐的输入电压范围为 24V 至 30V（最大），输出电流为 200mA，选择 TIOS1015 时输出电压为 5V，最大 LDO 输出电流为 5mA，NFAULT 上拉电阻为 10kΩ，VCC 去耦电容为 0.1μF/100V，LDO 输出电容为 1μF/10V，ILIM_ADJ 电阻（RSET）为 10kΩ，最大环境温度为 105°C。

详细设计步骤

最大结温检查

在设计过程中，需要检查最大结温是否在允许范围内。以 200mA 电流限制为例，计算出驱动器输出的功率消耗和 LDO 的功率消耗，然后根据结到环境的热阻计算出结温与环境温度的差值，最后加上最大环境温度得到最终结温。只要最终结温低于推荐的最大值 150°C，就不会发生热关断，但可能会触发热警告。

驱动电容负载

这些器件能够驱动 OUT 输出端的电容负载。在假设纯电容负载且无串联/并联电阻的情况下，可以根据公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{v{(VCC)}}$ 计算出不触发电流故障的最大电容值。如果需要驱动更高的电容负载，可以在 OUT 和负载之间连接串联电阻。

驱动电感负载

TIOS101(x) 系列能够对高达 1.5H 的电感负载进行充磁和消磁。在 P - 开关或 N - 开关模式下，器件内部电路能够实现快速消磁。在 P - 开关配置中，当 OUT 引脚被驱动为高电平时，负载电感 L 被充磁；当 PNP 关闭时，OUT 引脚会出现较大的负电感反冲，该电压会被内部钳位在约 - 75V。同样，在 N - 开关配置中，当 OUT 引脚被驱动为低电平时，负载电感 L 被充磁；当 NPN 关闭时，OUT 引脚会出现较大的正电感反冲，该电压会被内部钳位在约 75V。

电源与布局建议

电源建议

TIOS101 和 TIOS101x 设计为在 VCC 端使用 24V 标称电源，该电源可在标称值的基础上上下浮动，以保持在器件推荐的 7V 至 36V 电源电压范围内。为了稳定电源，建议使用至少 100nF/100V 的电容进行缓冲。

布局指南

在 PCB 布局方面，推荐使用 4 层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），第四层用于调节后的输出电源（VCC_IN/OUT）。将散热焊盘通过尽可能多的热过孔连接到 GND，以实现最佳的散热性能。使用完整的平面来连接 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以确保最小的电感。VCC 端子必须使用低 ESR 陶瓷去耦电容进行去耦，电容值最小为 100nF，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），并使用 X5R 或 X7R 电介质。

TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 数字传感器输出驱动器以其丰富的特性、强大的保护功能和灵活的配置能力，为工业传感器等应用提供了可靠的解决方案。工程师在设计过程中，需要根据具体应用需求合理选择器件，并注意电源和布局等方面的设计，以确保系统的稳定性和性能。希望本文能对大家的设计工作有所帮助。