具有集成浪涌保护功能的 TIOS101、TIOS101x 数字传感器输出驱动器详解

在工业传感器应用中，可靠且高效的数字驱动器至关重要。TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 数字传感器输出驱动器凭借其丰富的特性和强大的保护功能，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：tios1015.pdf

一、产品特性

1. 功能安全与电源适应性

TIOS101 系列提供功能安全相关文档，助力功能安全系统设计。其电源电压范围为 7V 至 36V，输出类型可配置为 PNP、NPN 或推挽，能适应不同的应用需求。在 250mA 条件下，残余电压低至 1.75V，有效降低了功耗。

2. 电流限制与瞬态保护

输出电流限制可在 50mA 至 350mA 之间配置，通过外部电阻器轻松实现。该系列器件耐受 ±65V 瞬态电压（时间低于 100µs），在 VCC、OUT 和 GND 上具有高达 60V 的反极性保护，同时 VCC 和 OUT 上集成了 EMC 保护，包括 ±16kV IEC 61000 - 4 - 2 ESD 接触放电、±4kV IEC 61000 - 4 - 4 电气快速瞬变和 ±1.2kV/500Ω IEC 61000 - 4 - 5 浪涌保护。

3. 负载驱动与其他特性

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。TIOS101 无 LDO，TIOS1013 提供 3.3V LDO，TIOS1015 提供 5V LDO，可支持高达 20mA 的电流。此外，还具有过热警告和热保护、故障指示灯，工作环境温度范围为 -40°C 至 125°C，采用 2.5mm x 3mm 10 引脚 VSON 封装，节省空间。

二、应用场景

TIOS101(x) 器件适用于接近开关、电容式和电感式传感器的数字输出等应用场景，为工业自动化中的传感器信号处理提供了可靠的解决方案。

三、产品说明

1. 驱动配置与连接

TIOS101(x) 可配置为高侧、低侧或推挽驱动器，能承受高达 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，并具有集成反向极性保护。通过简单的引脚可编程接口，可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。

2. 保护与故障报告

该系列器件提供故障报告和内部保护功能，可应对过流、欠压和过热条件，确保系统的稳定性和可靠性。

四、规格参数

1. 绝对最大额定值

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

2. ESD 评级

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

3. 推荐工作条件

电源电压推荐范围为 7V 至 36V，逻辑电平输入电压（TIOS101 仅）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）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。

五、详细描述

1. 概述

TIOS101 和 TIOS101x 设备的驱动输出（OUT）可通过使能（EN）和传输数据（IN）输入引脚配置为推挽、高侧或低侧模式，能驱动电阻性、大电容性或大电感性负载。集成了 IEC 61000 - 4 - 4/5 EFT 和浪涌保护，耐受 ±65V 瞬态电压，简化了系统级设计。

2. 功能特性

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。通过浮空 ILIM_ADJ 引脚可禁用输出因电流故障而禁用和电流故障自动恢复功能，但电流故障指示仍有效。

电流故障检测、指示和自动恢复

当 OUT 输出电流超过内部设定的电流限制 I $O(LIM)$ 持续时间超过 $tsc$ 时，NFAULT 引脚驱动为逻辑低电平，指示故障条件，输出关闭，但 LDO 继续工作。输出会周期性重试，检查是否仍处于过流状态。通过设置 $ILIM_ADJ = OPEN$ 可禁用电流故障自动恢复模式。

热警告和热关断

当芯片温度超过 $T{(WRN)}$ 时，NFAULT 标志保持低电平，指示可能的过热问题；当 $T{J}$ 超过 $T{(SDN)}$ 时，输出禁用，但 LDO 仍可工作。温度下降到阈值以下（经过 $T{(HYS)}$ 后），内部电路重新启用驱动器。

故障报告（NFAULT）

当检测到电流故障、芯片温度超过 $T_{(WRN)}$ 或电源电压低于 UVLO 阈值时，NFAULT 驱动为低电平；所有故障条件清除后，NFAULT 返回高阻抗。

设备功能表

通过 EN 和 IN 引脚的不同组合，可实现不同的驱动功能和电流限制指示功能。

集成电压调节器（LDO）

TIOS1013 和 TIOS1015 具有集成线性电压调节器（LDO），可提供高达 20mA 的电流，输出电压分别为 3.3V 和 5V。LDO 设计稳定，适用于标准陶瓷电容器。

反向极性保护

反向极性保护电路可防止 VCC、OUT 和 GND 引脚意外反接，任何引脚之间的最大电压不得超过 60V DC。

集成浪涌保护和瞬态波形耐受

VCC 和 OUT 引脚能够承受高达 1.2kV 的 1.2/50 – 8/20 μs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，可承受 ±65V 瞬态脉冲（<100 μs）。

上电顺序

VCC_IN 和 VCC 域可以按任意顺序上电。若 VCC 上电而 VCC_IN 未上电，OUT 引脚保持高阻抗。

欠压锁定（UVLO）

当 VCC 电压低于 $V{(UVLO)}$ 时，设备进入 UVLO 状态，NFAULT 拉低，LDO 关闭，OUT 输出禁用。电源电压上升超过 $V{(UVLO)}$ 后，NFAULT 返回高阻抗，LDO 立即启用，OUT 输出在 $T_{(UVLO)}$ 延迟后开启。

3. 设备功能模式

TIOS101(x) 可在三种不同模式下运行：NPN 配置（N - 开关模式）、PNP 配置（P - 开关模式）和推挽模式，通过不同的引脚配置实现相应功能。

六、应用信息

1. 典型应用设计

TIOS101 和 TIOS101x 是工业传感器的可靠 24V 数字驱动器。典型应用设计中，需考虑输入电压范围、输出电流、输出电压、LDO 输出电流、上拉电阻、去耦电容和 ILIM_ADJ 电阻等参数。

2. 详细设计过程

最大结温检查

通过计算驱动输出和 LDO 的功耗，结合结到环境的热阻，可确定最大结温。只要最大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

TIOS101(x) 能够驱动电容负载，可根据公式计算最大可充电电容，若连接串联电阻，可驱动更高的电容负载。

驱动电感负载

该系列器件能够对高达 1.5H 的电感负载进行磁化和消磁，在 P - 开关和 N - 开关模式下具有内部快速消磁电路，可将电感反冲电压钳位在约 ±75V。可根据公式计算最小电阻负载。

七、电源供应与布局建议

1. 电源供应

TIOS101 和 TIOS101x 设计为在 24V 标称电源下工作，电源电压范围为 7V 至 36V，建议使用至少 100nF/100V 的电容进行电源去耦。

2. 布局指南

推荐使用 4 层电路板，将热焊盘通过大量热过孔连接到 GND 平面，以实现最佳热性能。VCC 终端应使用低 ESR 陶瓷去耦电容与地去耦，电容应靠近 VCC 和 GND 终端。所有开漏控制输出应通过 10kΩ 上拉电阻连接到 VCCIN/OUT 平面，将 $R{SET}$ 电阻连接在 ILIM_ADJ 和 GND 之间，VCC_IN/OUT 输出应使用 1μF 低 ESR 陶瓷去耦电容与地去耦。

八、设备与文档支持

1. 文档更新通知

可在 ti.com 上的器件产品文件夹中订阅更新，每周接收产品信息更改摘要。

2. 支持资源

TI E2E™ 支持论坛为工程师提供了快速、经过验证的解答和设计帮助。

3. 静电放电警告

静电放电可能损坏集成电路，建议采取适当的预防措施处理所有集成电路。

TIOS101、TIOS1013 和 TIOS1015 数字传感器输出驱动器凭借其丰富的特性、强大的保护功能和广泛的应用场景，为工业传感器设计提供了可靠的解决方案。在实际设计中，工程师应根据具体需求合理选择参数和配置，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。