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

在工业传感器应用中，一款性能出色且功能丰富的数字传感器输出驱动器至关重要。TIOS102 和 TIOS102x 系列器件就是这样的佼佼者，它们具备诸多优秀特性，能为系统设计带来极大便利。本文将深入介绍 TIOS102 和 TIOS102x 数字传感器输出驱动器的相关特性、应用及设计要点。

文件下载：tios102.pdf

一、特性与应用

特性亮点

TIOS102 和 TIOS102x 具有宽电源运行范围，其中 TIOS102、TIOS1023 的电源电压范围为 4.75V 至 36V，TIOS1025 为 7V 至 36V。输出可配置为 PNP、NPN 或推挽形式，并且提供功能安全相关文档，有助于进行功能安全系统设计。这些器件能承受高达 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，还集成了反向极性保护功能，与 TIOS101(x) 引脚兼容且性能有所提升，例如在 200mA 条件下，残余电压低至 0.5V（典型值）。此外，它只需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，还具备故障报告和内部保护功能，能应对欠压、过流和过热条件。

应用场景

该系列器件适用于接近开关、电容式和电感式传感器、传动器以及数字输出等场景。

二、规格参数

绝对最大额定值

在使用器件时，了解其绝对最大额定值至关重要。例如，VCC 和 OUT 的稳态电压范围为 - 65V 至 65V，瞬态脉冲宽度 < 100µs 时，VCC 和 OUT 的电压范围为 - 70V 至 70V，电压差 |V(VCC) – V(OUT)| 最大为 65V 等。超出这些绝对最大额定值可能会导致器件永久性损坏。

ESD 评级

器件的 ESD 评级体现了其抗静电能力。TIOS102 和 TIOS102x 所有引脚的人体模型 (HBM) 静电放电为 ±4000V，带电设备模型 (CDM) 为 ±750V。同时，在 IEC 规格方面，VCC、OUT 和 GND 的 IEC 61000 - 4 - 2 ESD（接触放电）为 ±8000V，IEC 61000 - 4 - 5 浪涌为 ±1200V，IEC 61000 - 4 - 4 EFT（快速瞬变或脉冲）为 ±4000V。

推荐工作条件

推荐工作条件能确保器件稳定、高效地工作。TIOS102、TIOS1023、TIO1023L (3.3V 输出) 的 V(VCC) 推荐范围为 4.75V 至 36V，TIOS1025、TIOS1023L (5V 输出) 为 7V 至 36V 等。

热性能信息

热性能对于器件的可靠性和稳定性有着重要影响。不同封装的器件热阻参数不同，如 TIOS102、TIOS1023、TIOS1025 DRC (10 引脚) 的结至环境热阻为 45.9°C/W，TIOS102、TIOS1023L YAH(12 引脚) 为 79.3°C/W。

电气特性

了解器件的电气特性有助于我们更好地进行电路设计。例如，在电源方面，EN = LOW 且无负载时，静态电源电流典型值为 1mA，最大值为 1.5mA；在驱动器输出方面，高侧和低侧驱动器的导通电阻典型值为 2.5Ω 等。

开关特性

开关特性关系到器件的响应速度和信号传输质量。如驱动器传播延迟 tPLH、HL 的典型值为 600ns，最大值为 1200ns 等。

三、详细功能描述

电流限制配置

通过 ILIM_ADJ 引脚连接外部电阻可以配置输出电流限制。当外部电阻为 10kΩ 时，在工作温度和电压范围内，输出电流最小限制为 300mA。将 ILIM_ADJ 引脚浮空可禁用输出因电流故障而关闭以及电流故障自动恢复功能，但电流故障指示仍有效，这在驱动大电容负载时很有用。当 ILIM_ADJ 引脚接地时，器件可源出或吸收最小 500mA 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、指示和自动恢复

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 引脚将被拉低以指示故障。输出会关闭，但 LDO 继续工作。输出会周期性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。

热警告和热关断

当芯片温度超过 $T{(WRN)}$ 时，NFAULT 标志会被拉低，提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 仍可正常工作。当温度下降到阈值以下时，驱动器会重新启用。

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 引脚恢复为高阻抗。

设备功能表

通过不同的 EN 和 IN 引脚组合，可以实现不同的驱动器功能和电流限制指示功能。例如，当 EN = L/Open 时，OUT 为 Hi - Z，设备处于就绪接收状态。

集成电压调节器 (LDO)

TIOS1023 和 TIOS1025 集成了线性电压调节器 (LDO)，可向外部组件供电。LDO 能够提供高达 20mA 的电流，并且在初始上电时，LDO 输出电流限制为 35mA，以限制涌入 VCC_OUT 去耦电容的电流。在 DSBGA (YAH) 封装中，TIOS1023L 可通过 VSEL 引脚配置 LDO 输出电压。

反向极性保护

该功能可保护器件免受 VCC、OUT 和 GND 引脚意外反接的影响，任何引脚之间的最大电压不得超过 65V DC。

集成浪涌保护和瞬态波形耐受能力

VCC 和 OUT 引脚能够承受高达 1.2kV 的 1.2/50 – 8/20µs IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，进行浪涌测试时，VCC 和 GND 之间需连接最小 100nF 的电源去耦电容，VCC_IN/OUT 和 GND 之间需连接 1µF 的电容。对于更高的瞬态保护要求，可能需要外部 TVS 二极管。

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 引脚将保持高阻抗。

欠压锁定 (UVLO)

当 VCC 电压低于 $V{(UVLO)}$ 时，器件进入 UVLO 状态。此时 NFAULT 被拉低，LDO 关闭，OUT 输出禁用（Hi - Z）。当电源电压上升到 $V{(UVLO)}$ 以上时，NFAULT 恢复为 Hi - Z（无其他故障条件），LDO 立即启用，OUT 输出在 $T_{(UVLO)}$ 延迟后开启。

设备功能模式

该系列器件可工作在三种不同模式：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可以实现相应的功能。

四、应用设计

设计要求

在进行典型系统设计时，需要考虑输入电压范围、输出电流、输出电压、LDO 输出电流、上拉电阻、去耦电容等参数。例如，输入电压范围 (VCC) 推荐为 24V，最大 30V，输出电流 (OUT) 为 200mA 时，可选择 RSET = 27kΩ 以实现 250mA 的电流限制。

详细设计程序

最高结温检查

在设计过程中，需要检查最高结温以确保器件不会因过热而损坏。通过计算驱动器输出和 LDO 的功率耗散，结合结至环境热阻，可以得到结温与环境温度的差值，进而计算出最终结温。只要结温低于 150°C 的建议最大值，就不会发生热关断，但如果接近 $T_{WRN}$，可能会产生热警告。

驱动电容性负载

器件能够驱动 OUT 引脚上的电容性负载。在假设纯电容负载且无串联/并联电阻的情况下，可以通过公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 计算不触发电流故障时可充电的最大电容。为了驱动更高的电容性负载并避免过流导致驱动器关闭，可将 ILIM_ADJ 引脚浮空，或者在输出和负载之间串联电阻。

驱动电感性负载

TIOS102(x) 系列能够对大电感负载进行磁化和消磁。在 P - 开关配置中，OUT 引脚驱动高电平时，负载电感 L 被磁化；当 PNP 关闭时，OUT 引脚会产生约 - 15V 的负电感反冲，该电压会被内部钳位。在 N - 开关配置中，情况类似，只是电感反冲为正，约 15V。可通过公式 $R=frac{V{(VCC)}}{I{O(LIM)}}$ 计算电阻性负载 R 的最小值。

应用曲线

通过应用曲线可以直观地了解器件在不同工作模式下的性能表现，如在电流故障自动恢复、驱动电感负载和电容负载等情况下的波形。

五、电源供应和布局建议

电源供应

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

布局指南

推荐使用 4 层电路板以实现良好的热传导。顶层用于控制信号，第二层为 GND，第三层为 24V 电源平面 (VCC)，第四层为稳压输出电源 (VCC_IN/OUT)。将散热焊盘通过尽可能多的热过孔连接到 GND 以获得最佳热性能。使用完整的平面来保证 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND 的最小电感。VCC 引脚必须使用低 ESR 陶瓷去耦电容（最小 100nF）与 GND 去耦，电容电压额定值至少为 50V（根据最大传感器电源故障额定值可能为 100V），且应为 X5R 或 X7R 电介质。将所有开漏控制输出通过 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 引脚的稳压输出电压使用低 ESR、1µF 的陶瓷去耦电容与 GND 去耦。

TIOS102 和 TIOS102x 数字传感器输出驱动器凭借其丰富的功能、优秀的性能和良好的保护特性，为工业传感器应用提供了可靠的解决方案。在设计过程中，我们需要充分了解其规格参数和功能特点，根据具体应用需求进行合理的设计和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用这类器件的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。