L6364：工业传感器应用的双通道收发器IC

在工业传感器和自动化领域，对高性能、高可靠性的收发器IC需求日益增长。STMicroelectronics的L6364就是一款专门为SIO和IO - Link传感器应用设计的双通道收发器IC，下面我们来详细了解一下它的特性、工作原理和应用场景。

文件下载：L6364Q.pdf

一、产品概述

L6364采用QFN 20L(4x4 mm)封装，具有以下显著特点：

1. 宽电压范围：支持5 V至35 V的电源电压，能适应多种工业供电环境。
2. 兼容多种I/O：具备5 V和3.3 V兼容的I/O接口，方便与不同电平的微控制器连接。
3. 集成多种调节器：包含5 V和3.3 V、50 mA的线性调节器，以及可配置频率（0.5 MHz至2 MHz）和电压（5 V - 10.5 V）的50 mA DC - DC调节器。
4. 输出级可配置：低耗散（5 Ω）的CQ和DIO输出级可配置为高端、低端、推挽模式。
5. 完善的保护功能：具有嵌入式反向极化二极管、全零电流反向极性保护、可配置的热关断阈值、7位校准的温度测量、可配置的Vplus欠压检测等。
6. 支持IO - Link标准：无石英IO - Link时钟提取和定时生成，适用于COM2（38.4k Baud）和COM3（230.4k Baud），集成UART外设，支持M - 序列处理。

二、引脚说明

L6364的引脚定义丰富，涵盖了电源、信号输入输出、SPI通信等多种功能。例如：

• VPLUS：线路电源电压引脚。
• CQ和DIO：线路数据信号引脚，分别用于不同的数据传输。
• PGND和GND：接地引脚，确保电路的稳定。
• MOSI、SS、SCK、MISO：SPI接口相关引脚，用于与微控制器进行通信。

具体的引脚功能可参考文档中的引脚描述表格，工程师在设计时需根据实际需求合理连接引脚。

三、技术参数

（一）绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全运行至关重要。L6364的绝对最大额定值包括电源电压、输出通道电压、数字引脚电压等。例如，VPLUS的稳态电源电压范围为 - 40至 + 40 V，超过这些值可能会导致器件损坏。

（二）热特性

热特性方面，QFN20L封装的热阻（Rth(JA)）在特定条件下为54°C/W（CSP19为80°C/W），这有助于工程师在设计散热方案时进行参考。

（三）推荐工作条件

推荐工作条件规定了器件正常工作时的电流、电压等参数范围。例如，无引脚电流且DCDC启用时，工作电流供应（lQUIES）典型值为3.0 mA，最大值为3.5 mA。

（四）电气特性

电气特性涵盖了电源电压、电容、电感、输入输出阈值等多个方面。例如，VPLUS的电源电压在不同条件下有不同的取值范围，CBLK（VPLUS上的阻塞电容）推荐值为100 nF等。

四、工作模式

（一）DIO引脚工作模式

DIO引脚可工作在DIO模式和JOIN模式：

• DIO模式：通过SPI控制DCTL:DIO位，DIO线作为数字输入输出引脚，可根据DCTL寄存器中的LS和HS位独立驱动。设置DCTL:IEN位可启用信号电平变化中断。
• JOIN模式：当DCTL:DIO位清零时，DIO/CQ输出共同提供一个双倍驱动强度的IO - Link兼容输出，此时DIO和CQ引脚需外部短接。

（二）SIO模式控制

在SIOActive状态下，根据CCTL:HS和CCTL:LS位控制高侧或低侧开关。任何非激活的开关都可作为齐纳二极管，限制CQ线上的电压，便于电感负载的快速关断。

（三）IO - Link UART外设

L6364包含一个IO - Link UART外设，用于双向通信。它有多种工作状态，如SIOActive、SIOListen、IOListen、Transmit等。在不同状态下，器件根据接收到的信号进行相应的处理，实现数据的接收和发送。

（四）单字节UART模式

单字节UART模式简化了数据传输功能，一次传输一个字节。该模式下，M - 序列类型识别、按需数据字节数量和校验和验证/生成功能被禁用，需由微控制器实现。同时，为避免缓冲区溢出或不足，微控制器需在特定时间内读取或写入数据。

（五）透明模式

透明模式下，L6364作为物理层转换器，支持UART帧的透明通信。MOSI和MISO引脚用于SPI通信和透明路径，通过SS引脚控制其使用。在该模式下，IO - Link状态机和PLL被复位，但中断线和状态监测功能仍正常工作。

五、关键功能

（一）M - 序列解释

M - 序列的解释涉及数据方向、类型和长度的确定。数据方向由主消息的第一个八位字节的MSB决定，M - 序列类型由第二个八位字节的[7:6]位确定，总长度根据M - 序列类型和传输方向而定。

（二）校验和计算与验证

L6364会对传出消息计算校验和，通过逻辑异或操作并进行压缩，插入到消息的最后一个八位字节中。对于传入消息，也会计算预期校验和并与实际校验和进行比较，根据结果设置STATUS:CHK位。

（三）数据信号接收与输出

数据信号接收时，根据CFG:BD位设置波特率，监测CQ数据电平，过滤短脉冲，根据CFG:RF位确定决策阈值。接收完预期数量的UART帧后，检查校验和和奇偶位，设置相应状态位并生成中断。数据输出时，同样根据CFG:BD位设置波特率，写入消息八位字节数量，添加START、STOP和PARITY位，计算并插入校验和。

（四）时钟恢复

L6364通过内部RC时钟和PLL实现时钟恢复。在IOListen和SIOListen状态下，监测数据线路的转换，当检测到第一个上升沿时，将内部PLL时钟相位与传入数据对齐，并根据后续上升沿校正频率。

（五）短路检测

当发生短路或接收到主设备的唤醒请求时，CQ或DIO电流超过设定的短路阈值，经过一定时间后，受影响的输出晶体管将关闭。在不同模式下，短路事件的处理方式有所不同，可能会进行多次重试，若重试失败则向微控制器发出信号并启动重启定时器。

（六）最大电流输出

开关具有独立的饱和电流IsAT，在JOIN模式下，饱和电流为2 x IsAT。电源需能够在短路期间提供足够的电流，以防止VPLUS上的电源电压下降。

（七）欠压检测

当VPLUS上的电压低于VUV阈值时，设置状态位UV并生成中断。欠压阈值可通过CFG:UVT[2:0]进行设置。

（八）温度测量与热关断

可从TEMP:TEMP[6:0]寄存器读取测量的温度值。当温度超过热关断阈值时，设置STATUS:SOT位，输出开关禁用，并向微控制器发出信号。在自动操作模式下，温度超过设定点后，阈值会自动调整，当温度下降到释放阈值以下时，器件恢复正常工作。

（九）LED输出

L6364提供两个电流控制输出，可产生高达8 mA的LED电流，通过LED:LED1和LED:LED2字段设置标称LED电流。

（十）DC - DC转换器

DC - DC转换器的频率和输出电压可通过寄存器进行配置。转换器由内部MOS开关、外部电容和电感组成，通过PID控制器控制开关的导通时间。在启动过程中，需满足一定的工作条件，经过STARTUP、ARM等状态后进入正常工作状态。同时，还需考虑外部组件的选择，如最小电源电压、线圈电流限制保护、DOUT的电容隔离等。

（十一）线性调节器

L6364包含两个50 mA的线性调节器，分别提供3.3 V和5.0 V的输出。3.3 V线性调节器为主调节器，5.0 V线性调节器的启动时间依赖于3.3 V电平。在使用5.0 V调节器时，需提供外部阻塞电容，不使用时可通过设置CFG:PD5V位将其置于掉电状态。

六、典型应用

文档中给出了两种典型的IO - Link传感器应用示例：

• DCDC使用，CQ和DIO输出为DIO模式：适用于需要独立控制CQ和DIO输出的场景，VDIG连接到V5V。
• DCDC旁路，CQ和DIO为JOIN模式：在这种模式下，CQ和DIO耦合，VDIG连接到V3V3。

工程师可根据实际应用需求选择合适的应用电路。

七、总结

L6364是一款功能强大、性能可靠的双通道收发器IC，适用于工业传感器、工厂自动化和过程控制等领域。它提供了丰富的功能和可配置选项，能满足不同应用的需求。在设计过程中，工程师需仔细研究其技术参数和工作模式，并根据实际情况合理选择引脚连接和工作模式，以确保器件的稳定运行。同时，还需注意器件的保护功能和热管理，以延长其使用寿命。你在使用L6364或其他类似IC时，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。