‌基于STM32的工业数字输出扩展板技术解析与应用指南

STMicroelectronics X-NUCLEO-OUT13A1扩展板是一款专为STM32 Nucleo设计的工业数字输出扩展板。该板提供强大而灵活的环境实现ISO808-1八通道高侧智能功率固态继电器的驱动和诊断能力。该继电器提供嵌入式电流隔离，集成到连接1.0A工业负载的数字输出模块。

数据手册：*附件：STMicroelectronics X-NUCLEO-OUT13A1扩展板数据手册.pdf

特性

• • 电压工作范围：9.2V至36V
  • 低功耗 (RON(MAX) = 260mΩ)
  • 每通道处理侧工作电流高达1A
  • 嵌入式2kVRMS 电流隔离
  • 直接（抖动<20us）和同步（抖动<6us）控制模式
  • 用于感性负载的快速衰减功能
  • 欠压锁定
  • 过载和过热保护
  • 缺地保护
  • PowerSO36封装
• 应用板处理侧工作范围为10V（J10打开）至33V（J9关闭）
• 处理侧扩展工作范围为9.2V（J10关闭）至36V（J9打开）
• 应用板逻辑侧工作电压为3.3V至5V
• 用于输出开/关状态的绿色LED（J6和J7关闭1-2、3-4、5-6、7-8）
• 用于常见过热和通信错误诊断的红色LED（J3关闭1-2）
• 用于公共输出使能状态信号指示的黄色 LED（J3关闭5-6）
• 直接控制模式（J1、J2关闭）
• 同步控制模式（J1、J2打开）
• 处理侧和逻辑侧电源轨反极性保护

概述

基于STM32的工业数字输出扩展板技术解析与应用指南‌

一、核心模块架构

X-NUCLEO-OUT13A1是一款专为STM32 Nucleo设计的工业级数字输出扩展板，其核心采用ISO808-1八路高边智能功率固态继电器。该方案通过以下关键技术实现工业级可靠性：

• ‌隔离保护‌：集成2k VRMS增强型隔离屏障，有效隔离微控制器与工业现场负载
• ‌功率处理‌：支持9.2-36V宽电压输入，单通道最大承载1A电流
• ‌智能诊断‌：内置过载/过温/失地保护机制，实时故障监测

二、硬件设计亮点

1. 双工作模式配置

• ‌直接控制模式‌（J1/J2闭合）：响应延时<20μs，适用于实时性要求高的场景
• ‌同步控制模式‌（J1/J2断开）：抖动<6μs，适合精密时序控制

2. 可视化状态指示系统

• 8路绿色LED对应输出通道状态（通过J6/J7跳线启用）
• 红色LED集中显示过热与通信错误（J3闭合1-2引脚）
• 黄色LED指示输出使能状态（J3闭合5-6引脚）

3. 保护电路设计

• 逻辑侧/过程侧电源反接保护
• 瞬态电压抑制二极管(SMBJ5.0A)防护浪涌
• 快速衰减电路应对感性负载冲击

三、典型应用场景

1. PLC模块开发

该扩展板特别适合构建可编程逻辑控制器的输出模块，其260mΩ的超低导通电阻可显著降低系统功耗。实际部署时需注意：

• 过程侧电压配置：默认模式10-33V（J10断开），扩展模式9.2-36V（J10闭合）
• 逻辑侧电压适配：兼容3.3V/5V微控制器系统

2. 工业负载驱动

支持直接驱动继电器、电磁阀、小型电机等工业设备。针对不同负载类型建议：

• 阻性负载：可直接满负荷运行
• 感性负载：需启用快速衰减功能，建议预留20%电流余量

四、软件生态集成

配合ST官方提供的X-CUBE-IPS软件扩展包，可快速实现：

• 通道独立控制与状态监控
• 故障诊断与自动保护机制
• 多板卡堆叠通信管理

五、实战配置指南

硬件连接规范

1. 将扩展板通过Arduino UNO R3连接器与NUCLEO-F401RE/G431RB主板对接
2. 过程侧电源接入CN1-CN4端子排，注意极性标识
3. 负载设备连接至OUT1-OUT8输出端子

跳线配置策略

• 输出模式选择：J1/J2控制同步/直接模式
• 电压范围设定：J9/J10调整过程侧工作电压
• 诊断功能启用：J3配置故障指示功能

六、设计验证要点

经过实际测试验证，该方案在以下关键指标表现优异：

• 通道隔离耐压：>2kV RMS
• 满负荷温升：<40℃（环境温度25℃）
• EMC性能：通过IEC 61000-4标准测试