SN65HVD101和SN65HVD102：工业通信的理想IO-Link PHY解决方案

引言

在工业自动化领域，高效、稳定的通信至关重要。IO-Link作为一种新兴的工业通信标准，为设备之间的通信提供了便捷、可靠的解决方案。TI的SN65HVD101和SN65HVD102 IO-Link PHY正是为满足这一需求而设计的产品。本文将详细介绍这两款产品的特点、功能、应用及设计要点，希望能为电子工程师在工业通信设计中提供有价值的参考。

文件下载：sn65hvd101.pdf

产品概述

SN65HVD101和SN65HVD102是专为工业点对点通信而设计的IO-Link PHY，它们可作为完整的物理层，实现IO-Link主站与远程节点之间的数据交换。这两款产品具有多种可配置特性，适用于各种IO-Link设备节点应用。

产品特性

• 可配置CQ输出：支持推挽、高侧或低侧配置，适用于不同的应用场景。
• 保护功能：具备过流、过压和过温保护特性，确保设备在恶劣环境下的稳定运行。
• 电流限制设置：可通过外部电阻设置驱动输出电流限制，增强系统的安全性。
• 状态指示：提供电流限制指示、唤醒指示和电源良好指示等功能，方便系统监控。
• 小封装设计：采用20引脚QFN封装（4mm×3.5mm），适用于空间受限的应用。

产品对比

SN65HVD101和SN65HVD102在功能上基本相似，但SN65HVD101集成了线性稳压器，可从IO-Link L+电压生成3.3V或5V电源，为PHY、本地控制器和其他电路供电；而SN65HVD102则需要外部提供3.3V或5V电源。

技术规格

绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
线路电压（稳态）	-40	40	V
线路电压（瞬态脉冲宽度<100μs）	-50	50	V
电压差（|VL+ - VCQ|）	-	40	V
电源电压	-0.3	6	V
输入电压	-0.3	6	V
输出电压	-0.3	6	V
输出电流	-5	5	mA
存储温度	-65	150	℃
结温	-	180	℃

ESD额定值

人体模型（HBM，所有引脚）：+2000V

推荐工作条件

参数	最小值	标称值	最大值	单位
线路电压	9	24	30	V
逻辑电源电压（3.3V标称）	3	3.3	3.6	V
逻辑电源电压（5V标称）	4.5	5	5.5	V
逻辑低输入电压	-	-	0.8	V
逻辑高输入电压	2	-	-	V
逻辑输出电流	-4	-	4	mA
逻辑电源电流（HVD101）	-	-	20	mA
CQ驱动输出电流限制	100	-	450	mA
外部电阻（RSET）	0	-	20	kΩ
补偿电容（HVD101）	3.3	-	-	μF
IO-Link模式信号速率	-	-	250	kbps
SIO模式信号速率	-	10	-	kbps
环境温度	-40	-	105	℃
结温	-40	-	150	℃

功能描述

功能框图

SN65HVD101和SN65HVD102的功能框图显示，设备驱动输出（CQ）可通过使能（EN）和发送数据（TX）输入引脚实现推挽、高侧或低侧配置。内部接收器将CQ线上的24V IO-Link信号转换为接收数据（RX）引脚上的标准逻辑电平。通过简单的并行接口，可在从设备和本地控制器之间收发数据和状态信息。

特性描述

唤醒检测

当设备处于SIO模式且主节点发起通信时，主节点会驱动CQ线改变状态，并根据IO-Link规范提供唤醒电流。SN65HVD10XX IO-Link PHY检测到唤醒条件后，通过WAKE引脚向本地微控制器发送信号。设备节点需在接收到唤醒信号后的500μs内切换到接收模式。

电流限制指示 - 短路电流检测

内部电流限制指示器与唤醒逻辑门控，仅在特定的CQ电压条件下激活。当CQ输出电流超过内部设定的电流限制且持续时间超过唤醒脉冲（80μs）时，CUR_OK引脚输出低电平，指示过流状态；当CQ引脚不再处于电流限制状态时，CUR_OK引脚恢复高阻抗状态。

过温检测

当收发器内部温度超过过温阈值时，CQ驱动器和电压调节器（HVD101）将被禁用。当温度下降到阈值以下时，内部电路将根据EN和TX引脚的状态重新启用电压调节器和驱动器。

CQ电流限制调整

CQ驱动器的电流限制由ILIM_ADJ引脚上的外部电阻RSET决定。通过调整RSET的值，可以设置不同的电流限制。

收发器功能表

功能	EN	TX	CQ	注释
驱动器功能	H	L	H	PHY CQ源电流（高侧驱动）
驱动器功能	H	H或OPEN	L	PHY CQ吸电流（低侧驱动）
接收器功能	VCO < VTHL	H	正常接收模式，输入低
接收器功能	VTHL < VCO < VTHH	?	不确定输出，可能为高或低
接收器功能	VTHH < VCO	L	正常接收模式，输入高
唤醒功能	H	H	VTHH < VCO (wu)	L	PHY接收来自主节点的高电平唤醒请求
唤醒功能	H	L	VTHL > VCO (wu)	L	PHY接收来自主节点的低电平唤醒请求
电流限制指示功能	H	H	VCO ≥ VTHH且|ICAL| > IO(LIM)	L	CQ电流达到内部限制
温度指示功能	T < TWARN	Z	正常运行
温度指示功能	TWARN < T < TSD	L	温度警告
电源供应指示功能	VL+ < VPG1且VCC < VPG2	L	两个电源均过低

设备功能模式

SN65HVD101和SN65HVD102可工作在三种不同模式：

• N开关SIO模式：将TX引脚置高，使用EN引脚作为控制信号，实现CQ引脚的N开关（低侧驱动）功能。
• P开关SIO模式：将TX引脚置低，使用EN引脚作为控制信号，实现CQ引脚的P开关（高侧驱动）功能。
• 推挽/通信模式：将EN引脚置高，通过切换TX引脚实现CQ引脚的推挽输出功能。

应用与设计

典型应用

以SN65HVD101为例，其典型应用电路可用于驱动数字输出，并提供浪涌瞬态保护。设计参数如下：	设计参数	示例值
收发器输入电压范围（L+）	24V
最大负载电流（CQ）	250mA
输出电压（Vcc_OUT）	3.3V
最大输出电流（Vcc_OUT）	20mA
浪涌保护峰值电压（L+，Q）	2kV
浪涌保护峰值电流	4A
最大TVS钳位电压	>50V
最小TVS关断电压	>30V
最大环境温度	100℃
最大结温	150℃

详细设计步骤

收发器配置

1. 选择24V标称直流电源作为L+输入。
2. 根据电流限制特性曲线，选择RSET = 4kΩ，以实现250mA的电流限制。
3. 将VCC_SET引脚接地，使VCC_OUT输出3.3V电压。
4. 将VCC_IN引脚连接到VCC_OUT引脚，确保输出电压稳定。
5. 使用3.3μF、10V陶瓷电容对VCC_OUT进行滤波。
6. 通过10kΩ上拉电阻将接收器和诊断输出连接到VCC_OUT，为控制器输入提供确定的电压电位。
7. 通过10kΩ下拉电阻将驱动器使能引脚EN连接到地，确保上电时驱动器处于禁用状态。

最大环境温度检查

计算内部功耗：$P{D-INT} = V{RQH} cdot I{O(lim)} = 3V cdot 250mA = 750mW$ 计算结温与环境温度差：$Delta T = T{J} - T{A} = P{D-INT} cdot theta{JA} = 750mW cdot 33.8^{circ}C/W = 25.4^{circ}C$ 计算最大结温：$T{J-max} = T{A-max} + Delta T = 100^{circ}C + 25.4^{circ}C = 125.4^{circ}C$ 由于$T{J-max}$低于推荐的最大结温150℃，因此不会出现过热问题。

瞬态保护

采用1.2/50 - 8/20μs组合波形发生器进行浪涌测试，峰值测试电压为2kV，源阻抗为500Ω。选择双向200W TVS二极管SMF33CA进行保护，并根据脉冲持续时间和环境温度对其峰值功率进行降额处理。

TVS评估

在25℃环境温度下，SMF33CA在10/1000μs脉冲下的峰值脉冲功率为200W，在8/20μs脉冲下的峰值脉冲功率约为950W。由于应用中的环境温度为100℃，需根据脉冲降额曲线将峰值脉冲功率进一步降额至475W。在2kV测试电压下，最大浪涌电流为4A，此时TVS钳位电压为44V，低于SN65HVD101和SN65HVD102的绝对最大电压额定值50V，可确保设备安全。

系统示例

白炽灯负载驱动

SN65HVD101可用于驱动白炽灯负载。由于白炽灯灯丝的冷态电阻远低于热态电阻，初始“浪涌”电流较大。通过设置适当的电流限制，可确保灯丝在初始阶段升温，并在达到稳态后保持稳定的电流。

电感负载驱动

当驱动电感负载时，需要使用三个TVS二极管进行保护，以防止电感在开关过程中产生的高电压损坏设备。当高侧开关导通或关断时，TVS二极管可限制电感两端的电压，确保系统的稳定性。

电源供应建议

SN65HVD101和SN65HVD102设计为从24V标称电源（L+）供电，电源电压可在9V至30V范围内波动。建议在设备引脚附近使用至少1μF/60V陶瓷电容对电源进行滤波，以减少电源噪声和纹波。

布局指南

PCB布局

• 层设置：采用4层电路板，顶层用于控制信号，第二层作为电源接地层，第三层用于24V电源平面，第四层用于稳压输出电源平面。
• 电源滤波：在收发器的L+和L - 引脚附近放置低ESR陶瓷旁路电容，以减少电源压降。
• TVS二极管：将TVS二极管靠近连接器放置，防止瞬态能量进入电路。
• 上拉电阻：通过10kΩ上拉电阻将所有开漏控制输出和接收器输出连接到VCC_OUT平面，为系统控制器输入提供确定的电压电位。
• 下拉电阻：通过10kΩ下拉电阻将收发器使能引脚连接到地，确保上电时驱动器输出禁用。
• 电压调节：将VCC_SET引脚直接接地或悬空，以设置VCC_OUT的输出电压；将VCC_IN引脚直接连接到VCC_OUT引脚，确保电压稳定。
• 输出滤波：使用低ESR、3.3μF陶瓷旁路电容对VCC_OUT进行滤波。

布局示例

参考文档中的PCB布局示例，可确保电路板的电气性能和稳定性。

总结

SN65HVD101和SN65HVD102 IO-Link PHY为工业通信提供了可靠、高效的解决方案。它们具有丰富的保护功能、可配置的输出模式和小封装设计，适用于各种IO-Link设备节点应用。在设计过程中，需要根据具体应用需求合理配置参数，并遵循布局指南，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师在工业通信设计中提供有益的参考。