RENESAS RH4Z2501 IO-Link收发器：硬件设计的新选择

引言

在硬件设计领域，我们常常需要寻找性能卓越、功能丰富且稳定性高的器件。今天，我们就来深入了解一下RENESAS的RH4Z2501，一款集成保护功能的IO - Link收发器。

文件下载：Renesas Electronics RH4Z2501线路驱动器，电平转换器IC.pdf

一、RH4Z2501概览

（一）基本特性

RH4Z2501是一款线驱动器/电平转换器IC，具有诸多吸引人的特性。它具备可调节的驱动器压摆率，能根据不同的应用场景灵活调整；集成了唤醒检测功能，还能通过MCU辅助实现唤醒生成，典型电流可达700mA。此外，它拥有OWI数字通信和校准接口，以及集成的3.3V和5V线性稳压器，工作的环境温度范围为 -40°C至125°C，还配备了接收器干扰滤波器。

（二）订购信息

该器件提供不同的封装选项和配置，以满足多样化的需求。例如，RH4Z2501BJ3GNM#HD0采用3mmx3mm DFN12封装，而RH4Z2501BJ8GBM#HD0则是晶圆级芯片级封装（WCSP）。并且部分型号可以选择默认禁用浪涌保护功能。	可订购的部件编号	描述和封装	MSL评级	载体类型	温度
RH4Z2501BJ3GNM#HD0	3mmx3mm DFN12		卷带盘装	-40℃ 至 125℃
RH4Z2501BJ3GNM#HD1	3mm x 3mm DFN12，默认禁用浪涌保护		卷带盘装	-40℃ 至 125°
RH4Z2501BJ8GBM#HD0	晶圆级芯片级封装		卷带盘装	-40℃ 至 125℃
RH4Z2501BJ8GBM#HD1	晶圆级芯片级封装，默认禁用浪涌保护		卷带盘装	-40℃ 至 125°

（三）引脚配置与描述

器件的引脚配置清晰明了，不同的引脚承担着不同的功能。例如，V5引脚是5V电源输入/输出引脚，正常工作时必须有5V电源，并且需要在该引脚与地之间添加1μF的隔直电容；GND/L - 引脚是接地引脚，所有接地引脚都必须连接。	PIN		名称	类型	功能
DFN12	WLCSP15
1	A2	V5	5V电源输入/输出	正常工作时必须有5V电源。在该引脚上添加一个1μF的隔直电容到地，详情见第3.1节。
2,9	A3,D1,D2	GND/L -	接地	接地引脚，所有GND引脚必须连接。
3	B3	V33	3V3电源输出	定义引脚的逻辑电平，若要实现5V逻辑电平，将该引脚连接到5V。在该引脚上添加一个1μF的隔直电容到地。
4	C3	RxD	数字输出	C/Q接收器输出（默认RxD是C/Q的反相）。
5	D3	TxD	数字输入	C/Q驱动器逻辑电平（默认C/Q输出电平是TxD的反相）。
6	E3	TxEN	数字输入	C/Q驱动器使能输入。将TxEN拉高以启用C/Q驱动器。
7	E2	OWIDIAG	数字输入/输出，内部上拉	用于单总线和诊断接口的通信引脚。
8	E1	/WU	数字输入/输出，内部上拉	默认是唤醒指示输出（主配置：高电流选择输入）
10	C1,C2	C/Q	模拟输入/输出	C/Q收发器输入/输出。RxD逻辑电平默认与C/Q相反。当TxEN为高电平时，输出驱动器启用。逻辑电平默认与TxD相反。
11	B1,B2	L+	电源电压	使用100nF电容尽可能靠近焊盘进行供电。该引脚通常连接到IO - link电源电压。
12	A1	VR	模拟输出	稳压器输出。可能的配置见第3.1节。

（四）电气参数与工作条件

器件的绝对最大额定值明确了其安全工作的边界，例如，结温范围为 -40°C至175°C，存储温度范围为 -40°C至150°C。建议的工作条件也给出了详细的参数，如电源电压L + 在9V至36V之间，环境温度范围为 -40°C至125°C。其电气规格涵盖了各种参数，如IC电源的欠压关断、欠压警告、过压警告等。

二、线性稳压器的多样配置

（一）内部5V线性稳压器

RH4Z2501内部配备了两个LDO，能够生成5V和3.3V的电源轨。通过连接内部稳压器输出（VR引脚）和5V引脚，可使用内部低压差稳压器生成5V电源，最大能提供50mA的电流。当需要更高的电流时，可以考虑使用外部NPN晶体管或外部转换器。同时，为了实现最佳的热性能，需要考虑LDO的功耗问题。 在设计中，我们可以参考一些功耗优化方法，例如在选择外部元件时，要考虑其功耗特性。根据搜索到的信息，在一些便携式电子设备、传感器网络、智能穿戴等领域广泛应用的微功耗低压差线性稳压器（LDO）设计中，会采用一些特殊的电路结构和技术来降低功耗。这对于我们在使用RH4Z2501的内部LDO时也有一定的借鉴意义，我们可以根据实际应用场景，合理选择元件和配置参数，以优化LDO的功耗。

（二）使用外部NPN晶体管

使用外部NPN晶体管可以改善器件的热性能，允许提供更高的电流。但要注意在NPN晶体管的集电极上放置一个二极管，以确保反向极性保护。

（三）使用外部降压稳压器

外部降压稳压器也是一种可行的选择，它可以根据具体的应用需求提供合适的电源。

（四）3.3V稳压器

3.3V稳压器用于定义逻辑电平。若将V33引脚与V5引脚连接，则可以实现5V逻辑电平的操作。

（五）热考虑

在使用PHY的内部电源功能时，内部LDO和驱动器产生的功率可能会超过器件封装的安全散热能力。因此，确保驱动器和LDO的负载小于封装的散热能力非常重要。器件的总功耗可以通过表7中的公式进行计算。

三、C/Q驱动器的功能与保护机制

（一）驱动器的启用与禁用

C/Q驱动器的启用和禁用由TxEN引脚控制。当TxEN设置为“高”时，驱动器启用；当设置为“低”时，驱动器禁用。

（二）过流保护

C/Q驱动器能够检测过载情况。如果发生过载情况（高侧或低侧驱动器）且持续时间超过消隐时间（“blankTim”），则会检测到驱动器故障，并设置过载（“overLoad”）和中断（“overLoadInt”）状态位。根据自动重试位（“autoRetryEn”）的设置，驱动器会有不同的响应。如果启用自动重试位，驱动器会在自动重试关闭时间（“autoRetryTim”）内禁用，然后自动重新启用；如果禁用自动重试位，驱动器将保持活动状态，直到发生热关断事件。

（三）低压检测

1. 欠压警告

当L + 引脚检测到低电压情况时，IC会发出警告。当L + 电源电压下降到警告电压以下时，会设置欠压警告中断（“uvWarnInt”）和欠压警告状态位（“uvWarn”）。当L + 电压上升到警告释放阈值电压以上时，该状态位会被清除。

2. 欠压关断

如果L + 电源下降到关断电压以下，C/Q驱动器会自动关闭。此时会设置关断中断（“uvShutInt”）和关断状态位（“cqShut”），驱动器关闭。当L + 电压上升到关断电压以上时，驱动器会重新启用，状态位也会被清除。

（四）热保护

当器件温度超过140°C时，会产生热警告。状态寄存器中的“TempWarn”位在温度下降到125°C以下时会被清除。器件在温度达到165°C之前可以继续工作，超过该温度时，驱动器会被禁用。当温度下降15°C时，驱动器会重新启用。

四、唤醒检测与生成

（一）唤醒检测

在发射模式（TxEN = 1）下，IC可以检测IO - Link主设备的特定唤醒请求（WURQ）。WURQ检测可以通过电流过载或TxD和RxD线的矛盾两种方式实现。IC配置寄存器（“wuMode”）可以选择使用哪种事件进行WURQ检测。如果配置的事件在特定时间内出现，/WU引脚会被拉低，直到TxEN释放。同时，唤醒预防逻辑可以避免因/CQ引脚连接较大电容而产生的误唤醒警报。

（二）唤醒生成

1. 主模式

在主模式下，外部MCU通过将/WU引脚拉低（选择高功率模式）并激活TxEN 80μs，同时TxD与RxD方向相反，来生成唤醒脉冲。当“masterMode”位设置为1时，/WU引脚成为一个带有上拉电阻的输入引脚，拉低该引脚会将驱动器切换到高功率模式和最快压摆率，当TxEN启用时，会施加大于600mA的电流。

2. 设备模式

在设备模式下，RH4Z2501会生成脉冲，将外部MCU从睡眠模式中唤醒。

3. 使用引脚

/WU和OWI/DIAG引脚都可以被外部MCU用于传输或接收唤醒信号。如果需要节省外部MCU的一个GPIO引脚，可以使用OWI/DIAG引脚。

五、保护机制

（一）浪涌保护

器件内置了集成浪涌保护电路，能够承受IEC 61000 - 4 - 5标准下±1.25kV（500Ω）的浪涌事件。该电路可以保护L +、C/Q和L - 引脚免受正负极性浪涌电压脉冲的影响。

（二）反向极性保护

反向极性保护电路可以防止L +、C/Q和L - 引脚意外连接反极性。任何引脚之间的最大电压不得超过±60V DC。

（三）芯片损坏检测

芯片管芯周围有一根金属线，用于在生产测试期间检测封装或管芯的裂纹。通过专用电路的诊断功能，可以检查该金属线的导电性。

六、OWI接口

（一）OWI协议

OWI协议具有明确的定义。空闲状态下，OWI线通过内部电阻上拉到IO电源电压Vio。启动条件是在OWI线处于空闲模式时，一个最小宽度为tOWI_START ≥ 4μs的“低”脉冲后接一个“高”脉冲。数据以字节（8位）形式传输，从最高有效位（MSB）开始。传输的位在启动条件后，在OWI线从“低”到“高”的每个转换时被识别。位的值取决于高相位与“高”/“低”周期（位周期，tOWI_BIT）的占空比。

（二）OWI命令结构

RH4Z2501被视为OWI从设备，外部MCU为OWI主设备。7位的OWI从设备地址设置为0x55。OWI通信不进行CRC检查，并且地址指针可以自动递增，以便在短时间内写入多个寄存器。

1. OWI写命令

执行写命令有特定的位序列和命令结构。

2. OWI读命令

执行读命令也有相应的位序列和命令结构。

七、寄存器映射

器件的寄存器映射涵盖了多个寄存器，每个寄存器的不同位具有不同的功能。例如，IRQ_Status寄存器的位由中断事件设置，内容在寄存器被读取之前保持不变；Status寄存器显示设备的当前状态，是只读寄存器；IRQ_Enable寄存器用于启用或屏蔽中断事件；comParam寄存器用于配置驱动器参数；comCtrl1和comCtrl2寄存器用于配置收发器参数；alarm寄存器用于配置收发器参数；Master寄存器用于为主模式操作配置发射器。

八、总结

RENESAS的RH4Z2501 IO - Link收发器凭借其丰富的功能、强大的保护机制和灵活的配置选项，为硬件设计工程师提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求合理选择器件的配置和工作模式，同时要注意热管理和保护机制的应用，以确保设备的稳定运行。大家在使用过程中有没有遇到过类似器件的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。