L6364：工業(yè)傳感器應用的雙通道收發(fā)器IC

在工業(yè)傳感器和自動化領域，對高性能、高可靠性的收發(fā)器IC需求日益增長。STMicroelectronics的L6364就是一款專門為SIO和IO - Link傳感器應用設計的雙通道收發(fā)器IC，下面我們來詳細了解一下它的特性、工作原理和應用場景。

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一、產(chǎn)品概述

L6364采用QFN 20L(4x4 mm)封裝，具有以下顯著特點：

1. 寬電壓范圍：支持5 V至35 V的電源電壓，能適應多種工業(yè)供電環(huán)境。
2. 兼容多種I/O：具備5 V和3.3 V兼容的I/O接口，方便與不同電平的微控制器連接。
3. 集成多種調(diào)節(jié)器：包含5 V和3.3 V、50 mA的線性調(diào)節(jié)器，以及可配置頻率（0.5 MHz至2 MHz）和電壓（5 V - 10.5 V）的50 mA DC - DC調(diào)節(jié)器。
4. 輸出級可配置：低耗散（5 Ω）的CQ和DIO輸出級可配置為高端、低端、推挽模式。
5. 完善的保護功能：具有嵌入式反向極化二極管、全零電流反向極性保護、可配置的熱關斷閾值、7位校準的溫度測量、可配置的Vplus欠壓檢測等。
6. 支持IO - Link標準：無石英IO - Link時鐘提取和定時生成，適用于COM2（38.4k Baud）和COM3（230.4k Baud），集成UART外設，支持M - 序列處理。

二、引腳說明

L6364的引腳定義豐富，涵蓋了電源、信號輸入輸出、SPI通信等多種功能。例如：

• VPLUS：線路電源電壓引腳。
• CQ和DIO：線路數(shù)據(jù)信號引腳，分別用于不同的數(shù)據(jù)傳輸。
• PGND和GND：接地引腳，確保電路的穩(wěn)定。
• MOSI、SS、SCK、MISO：SPI接口相關引腳，用于與微控制器進行通信。

具體的引腳功能可參考文檔中的引腳描述表格，工程師在設計時需根據(jù)實際需求合理連接引腳。

三、技術參數(shù)

（一）絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全運行至關重要。L6364的絕對最大額定值包括電源電壓、輸出通道電壓、數(shù)字引腳電壓等。例如，VPLUS的穩(wěn)態(tài)電源電壓范圍為 - 40至 + 40 V，超過這些值可能會導致器件損壞。

（二）熱特性

熱特性方面，QFN20L封裝的熱阻（Rth(JA)）在特定條件下為54°C/W（CSP19為80°C/W），這有助于工程師在設計散熱方案時進行參考。

（三）推薦工作條件

推薦工作條件規(guī)定了器件正常工作時的電流、電壓等參數(shù)范圍。例如，無引腳電流且DCDC啟用時，工作電流供應（lQUIES）典型值為3.0 mA，最大值為3.5 mA。

（四）電氣特性

電氣特性涵蓋了電源電壓、電容、電感、輸入輸出閾值等多個方面。例如，VPLUS的電源電壓在不同條件下有不同的取值范圍，CBLK（VPLUS上的阻塞電容）推薦值為100 nF等。

四、工作模式

（一）DIO引腳工作模式

DIO引腳可工作在DIO模式和JOIN模式：

• DIO模式：通過SPI控制DCTL:DIO位，DIO線作為數(shù)字輸入輸出引腳，可根據(jù)DCTL寄存器中的LS和HS位獨立驅動。設置DCTL:IEN位可啟用信號電平變化中斷。
• JOIN模式：當DCTL:DIO位清零時，DIO/CQ輸出共同提供一個雙倍驅動強度的IO - Link兼容輸出，此時DIO和CQ引腳需外部短接。

（二）SIO模式控制

在SIOActive狀態(tài)下，根據(jù)CCTL:HS和CCTL:LS位控制高側或低側開關。任何非激活的開關都可作為齊納二極管，限制CQ線上的電壓，便于電感負載的快速關斷。

（三）IO - Link UART外設

L6364包含一個IO - Link UART外設，用于雙向通信。它有多種工作狀態(tài)，如SIOActive、SIOListen、IOListen、Transmit等。在不同狀態(tài)下，器件根據(jù)接收到的信號進行相應的處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

（四）單字節(jié)UART模式

單字節(jié)UART模式簡化了數(shù)據(jù)傳輸功能，一次傳輸一個字節(jié)。該模式下，M - 序列類型識別、按需數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量和校驗和驗證/生成功能被禁用，需由微控制器實現(xiàn)。同時，為避免緩沖區(qū)溢出或不足，微控制器需在特定時間內(nèi)讀取或寫入數(shù)據(jù)。

（五）透明模式

透明模式下，L6364作為物理層轉換器，支持UART幀的透明通信。MOSI和MISO引腳用于SPI通信和透明路徑，通過SS引腳控制其使用。在該模式下，IO - Link狀態(tài)機和PLL被復位，但中斷線和狀態(tài)監(jiān)測功能仍正常工作。

五、關鍵功能

（一）M - 序列解釋

M - 序列的解釋涉及數(shù)據(jù)方向、類型和長度的確定。數(shù)據(jù)方向由主消息的第一個八位字節(jié)的MSB決定，M - 序列類型由第二個八位字節(jié)的[7:6]位確定，總長度根據(jù)M - 序列類型和傳輸方向而定。

（二）校驗和計算與驗證

L6364會對傳出消息計算校驗和，通過邏輯異或操作并進行壓縮，插入到消息的最后一個八位字節(jié)中。對于傳入消息，也會計算預期校驗和并與實際校驗和進行比較，根據(jù)結果設置STATUS:CHK位。

（三）數(shù)據(jù)信號接收與輸出

數(shù)據(jù)信號接收時，根據(jù)CFG:BD位設置波特率，監(jiān)測CQ數(shù)據(jù)電平，過濾短脈沖，根據(jù)CFG:RF位確定決策閾值。接收完預期數(shù)量的UART幀后，檢查校驗和和奇偶位，設置相應狀態(tài)位并生成中斷。數(shù)據(jù)輸出時，同樣根據(jù)CFG:BD位設置波特率，寫入消息八位字節(jié)數(shù)量，添加START、STOP和PARITY位，計算并插入校驗和。

（四）時鐘恢復

L6364通過內(nèi)部RC時鐘和PLL實現(xiàn)時鐘恢復。在IOListen和SIOListen狀態(tài)下，監(jiān)測數(shù)據(jù)線路的轉換，當檢測到第一個上升沿時，將內(nèi)部PLL時鐘相位與傳入數(shù)據(jù)對齊，并根據(jù)后續(xù)上升沿校正頻率。

（五）短路檢測

當發(fā)生短路或接收到主設備的喚醒請求時，CQ或DIO電流超過設定的短路閾值，經(jīng)過一定時間后，受影響的輸出晶體管將關閉。在不同模式下，短路事件的處理方式有所不同，可能會進行多次重試，若重試失敗則向微控制器發(fā)出信號并啟動重啟定時器。

（六）最大電流輸出

開關具有獨立的飽和電流IsAT，在JOIN模式下，飽和電流為2 x IsAT。電源需能夠在短路期間提供足夠的電流，以防止VPLUS上的電源電壓下降。

（七）欠壓檢測

當VPLUS上的電壓低于VUV閾值時，設置狀態(tài)位UV并生成中斷。欠壓閾值可通過CFG:UVT[2:0]進行設置。

（八）溫度測量與熱關斷

可從TEMP:TEMP[6:0]寄存器讀取測量的溫度值。當溫度超過熱關斷閾值時，設置STATUS:SOT位，輸出開關禁用，并向微控制器發(fā)出信號。在自動操作模式下，溫度超過設定點后，閾值會自動調(diào)整，當溫度下降到釋放閾值以下時，器件恢復正常工作。

（九）LED輸出

L6364提供兩個電流控制輸出，可產(chǎn)生高達8 mA的LED電流，通過LED:LED1和LED:LED2字段設置標稱LED電流。

（十）DC - DC轉換器

DC - DC轉換器的頻率和輸出電壓可通過寄存器進行配置。轉換器由內(nèi)部MOS開關、外部電容和電感組成，通過PID控制器控制開關的導通時間。在啟動過程中，需滿足一定的工作條件，經(jīng)過STARTUP、ARM等狀態(tài)后進入正常工作狀態(tài)。同時，還需考慮外部組件的選擇，如最小電源電壓、線圈電流限制保護、DOUT的電容隔離等。

（十一）線性調(diào)節(jié)器

L6364包含兩個50 mA的線性調(diào)節(jié)器，分別提供3.3 V和5.0 V的輸出。3.3 V線性調(diào)節(jié)器為主調(diào)節(jié)器，5.0 V線性調(diào)節(jié)器的啟動時間依賴于3.3 V電平。在使用5.0 V調(diào)節(jié)器時，需提供外部阻塞電容，不使用時可通過設置CFG:PD5V位將其置于掉電狀態(tài)。

六、典型應用

文檔中給出了兩種典型的IO - Link傳感器應用示例：

• DCDC使用，CQ和DIO輸出為DIO模式：適用于需要獨立控制CQ和DIO輸出的場景，VDIG連接到V5V。
• DCDC旁路，CQ和DIO為JOIN模式：在這種模式下，CQ和DIO耦合，VDIG連接到V3V3。

工程師可根據(jù)實際應用需求選擇合適的應用電路。

七、總結

L6364是一款功能強大、性能可靠的雙通道收發(fā)器IC，適用于工業(yè)傳感器、工廠自動化和過程控制等領域。它提供了豐富的功能和可配置選項，能滿足不同應用的需求。在設計過程中，工程師需仔細研究其技術參數(shù)和工作模式，并根據(jù)實際情況合理選擇引腳連接和工作模式，以確保器件的穩(wěn)定運行。同時，還需注意器件的保護功能和熱管理，以延長其使用壽命。你在使用L6364或其他類似IC時，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。