中心議題：

• 低功耗控製器與高 DC 電壓接口連接解決方案

解決方案：

• 數字輸入串行器的工作原理
• 數字輸入串行器輸入信號的配置情況

許多商業和工業應用都麵臨一個難題

，即如何通過接口將低壓微控製器及數字信號處理器 (DSP) 連接至高壓傳感器開關和其他數字、高壓電路。大多數情況下，需要通過這些接口獲取二進製（1/0，或者高/低）狀態信息形式的反饋。新一代的接口器件
，被稱作數字輸入串行器 (DIS)，其在連接低功耗微控製器的同時能夠以最高能效方式對數字輸入電壓進行檢測，檢測範圍最低可達 6Vdc
，最高可達300 Vdc。

本文將介紹數字輸入串行器的工作原理及其低
、中、高壓輸入信號的配置情況。

工作原理

為了更好地理解 DIS 的工作原理，我們以完整的接口設計為背景來對這種器件進行研究（請參見圖 1）。一般而言，高壓總線為一組傳感器開關即 S0 – S7 供電，其開/關狀態由器件的八個現場輸入即 IP0 – IP7 來檢測。內部信號處理將輸入信號轉換為低伏電平
，並將其應用於並行輸入、串行輸出移位寄存器的輸入。由於微控製器的負載脈衝作用於 /LD 輸入，因此內部輸入數據被鎖閉到移位寄存器中。微控製器向 CLK 輸入施加一個時鍾信號，根據該信號以串行方式將數據從 DIS 中移位，然後通過數字隔離器進入一個控製器寄存器，這樣便完成了移位寄存器內容的讀取。

高壓接口要求使用數字隔離器，目的是將劇烈變化的遠距離傳感器開關接地電位，同控製器電子器件的局部接地電隔離。
            
                                             圖 1 數字輸入串行器的典型結構

適用於高伏接口的一些傳感器開關包括接近開關
、繼電器觸點、限位開關、按鈕開關等等。就高輸入電壓而言，輸入電阻器 RIN0 到 RIN7 的實施對於將輸入開關閾值升至更高電平來說是必要的，而低輸入電壓的係統一般無需輸入電阻器。

圖 1 表明高達 34V dedianyuandianyakeyizhijiezuoyongyudianyuanjiexianduanhebageshuruduan
，wuxubaohudianzuqi。zaishiyongzhezhongdianyuandianyadeqingkuangxia，neibuxianxingwenyaqikeyitigongwendingde 5V 輸出，以為器件內部電路和外部隔離器或者微控製器供電。另一個輔助功能是片上溫度傳感器，其在結溫達到 150oC 時便向控製器發出報警。

通過可調節輸入電流限製，讓在器件輸入端直接使用高達 34V 的(de)高(gao)壓(ya)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。就(jiu)純(chun)電(dian)阻(zu)輸(shu)入(ru)的(de)高(gao)壓(ya)接(jie)口(kou)而(er)言(yan)，由(you)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)帶(dai)來(lai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)其(qi)功(gong)耗(hao)急(ji)劇(ju)上(shang)升(sheng)。與(yu)之(zhi)相(xiang)比(bi)，由(you)於(yu)將(jiang)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)在(zai)某(mou)個(ge)恒(heng)定(ding)電(dian)平(ping)
，而(er)這(zhe)一(yi)電(dian)平(ping)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)外(wai)部(bu)精(jing)密(mi)電(dian)阻(zu)器(qi)來(lai)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)，因(yin)此(ci) DIS 的輸入極大地降低了功耗。

另外，每條通道都對其輸入信號進行強度和耐力檢查。這種電流、電壓檢測功能具有一些內部信號閾值，用於確保通道不會被漏電流或者殘留電壓觸發。

在導通狀態（開關關閉）的de情qing況kuang下xia，電dian流liu比bi較jiao器qi檢jian測ce輸shu入ru電dian流liu是shi否fou高gao於yu預yu定ding義yi的de漏lou電dian流liu閾yu值zhi，而er電dian壓ya比bi較jiao器qi則ze檢jian測ce輸shu入ru電dian壓ya是shi否fou高gao於yu內nei部bu設she定ding的de基ji準zhun電dian壓ya。如ru果guo兩liang個ge比bi較jiao器qi輸shu出chu均jun為wei邏luo輯ji高gao電dian平ping
，則ze可ke編bian程cheng去qu抖dou動dong濾lv波bo器qi檢jian查zha輸shu入ru狀zhuang態tai的de新xin變bian化hua是shi否fou由you噪zao聲sheng瞬shun態tai或huo者zhe真zhen輸shu入ru信xin號hao所suo引yin起qi。

導通狀態時，濾波器輸出為高電平
，同時電流限製器輸出連接至信號返回輸出(Rex)。每個 RE-輸出均有一個發光二極管 (LED) 連接接地層，從而實現傳感器開關狀態的可視化指示。因此，如果某個開關關閉，則 LED 亮起。在斷開狀態（開關打開）下，濾波器輸出為低電平
，同時電流限製器的輸出接地，則 LED 不亮。

輸入配置

針對某種應用對數字輸入串行器進行配置時，隻有兩個重要的參數，即輸入電流限製 IIN-LIM 和導通閾值 VIN-ON。這兩個參數均通過外部電阻器 RLIM以及 RIN0 到RIN7 來進行調節。盡管 RLIM 定義所有八條輸入通道的電流限製
，但也可以通過使用不同的 RIN 值，來單獨設定每條通道的導通閾值。

電流限製器內部實現比較器功能，其閾值電流 ITH 與最大輸入電流 IIN-LIM 完全相同。利用一個反射係數為 n = 72 的電流鏡，通過基準電流 IREF 推導出 ITH。由於 IIN-LIM 與 ITH 相同
，因此最大輸入電流可以表示為：
方程式 1

IREF 反過來又由內部 1.25V 帶隙基準與外部電阻器 RLIM 的比計算得到：
方程式 2

將方程式 2 插入到方程式 1 中，得到 IIN-LIM 為 RLIM 的函數：
方程式 3

求解方程式 3 得到 RLIM，即設置理想電流限製所需的電阻器值：
方程式 4
[page]現場輸入導通閾值電壓 VIN-ON
，與電流限製、輸入電阻器以及器件輸入的導通閾值電壓 VIP-ON 有關。VIP-ON 等於內部電壓檢測比較器的固定 5.2V 基準電壓。因此，VIP-ON 可以表示為：
方程式 5

插入 VIP-ON 的數值
，然後代入方程式 3 的 IIN-LIM 計算結果
，得到：
方程式 6

然後求解 RIN，得到設置規定電流限製條件下理想導通閾值所要求的輸入電阻器值：
方程式 7

因此
，針對各種應用對 DIS 進行完全配置隻需要兩個方程式
，即方程式 3 用於設置電流限製，而方程式 7 用於達到理想導通閾值電壓。根據這兩個方程式
，表 1 列出了不同輸入閾值電壓和電流限製的各種電阻器組合情況。
                         
                                                 表 1 各種輸入配置

表 1 中的星號表示非常高的輸入電壓會超出最大器件電壓 34V。這種情況下，IPx 和接地之間連接的 30V 齊納二極管可防止器件輸入毀壞。將開關閾值設定在輸入電壓範圍的中間


，即 VIN-ON = VIN-max/2，這時最大齊納電流將等於輸入電流限製，即 IZ-max = IIN-LIM，同時總輸入電流將為電流限製的兩倍。

若想節能，需將電流限製設定為 0.5mA。很明顯，在這種低輸入電流情況下，將指示器 LED 連接至 Rex 輸出沒有意義，因為其不會亮起。相反，我們應該將它們放置在 CMOS 輸出可以很容易地實現 LED 驅動功能的控製器端。

串行接口

圖 1 表明對於高達 24V 標稱值、或者 34V 最大值的總線電源來說，數字輸入串行器可以將總線電壓調低到 5V，以為數字隔離器或者微控製器提供充足的電源。但是，在高壓條件下，在DIS之前調低總線電源電壓
，會極大地降低總功效。在非隔離應用中，使用一個微型充電泵
，並通過控製器電源為 DIS 提供備用電源，這樣做更利於提高能效。但是
，在隔離式應用中，要求一個隔離式 DC-DC 轉換器來穿過隔離層提供控製器電源。

實施電氣隔離的原因是，數字輸入串行器一般用於檢測遠距離安裝傳感器和信號源的輸出電壓，例如：AC 整zheng流liu器qi的de輸shu出chu，其qi接jie地di電dian位wei明ming顯xian不bu同tong於yu本ben地di控kong製zhi器qi接jie地di。將jiang各ge種zhong接jie地di電dian位wei相xiang互hu連lian接jie會hui引yin起qi大da量liang接jie地di環huan路lu電dian流liu流liu動dong。使shi用yong數shu字zi隔ge離li器qi可ke以yi防fang止zhi出chu現xian這zhe種zhong情qing況kuang。

如前所述，DIS 數字接口的控製很容易實施。係統控製器隻需通過其通用輸出端之一
，向 DIS 的/LD 輸入端發送一個短且低活躍度的負載脈衝，旨在將當前的現場輸入狀態鎖存至 DIS 移位寄存器中。之後，它向 CLK 線路施加一個時鍾信號
，以串行方式移出寄存器內容。

如圖 2 所示，DIS 的移位寄存器結構通過簡單地將前麵器件的串行輸出 SOP 連接至後麵器件的串行輸入 SIP，實現以菊花鏈方式連接多個器件。這種方法允許進行高通道數目的緊湊型數字輸入模塊設計，同時其僅使用了一個串行接口。

一次讀取多個 DIS 器件的內容時，較短的讀取周期時間便為基本要求，而標準微控製器 SPI 接口的最大速度已經可以達到 10 MHz 或者 20 Mbps。但是，DIS 的串行接口可以支持高達 300 Mbps的de數shu據ju速su率lv，其qi甚shen至zhi超chao出chu了le一yi些xie高gao速su隔ge離li器qi的de數shu據ju速su率lv。因yin此ci，若ruo想xiang將jiang讀du取qu周zhou期qi時shi間jian縮suo短duan至zhi絕jue對dui最zui小xiao值zhi，便bian要yao求qiu極ji高gao的de時shi鍾zhong頻pin率lv
，同tong時shi還hai必bi須xu消xiao除chu隔ge離li器qi的de傳chuan播bo延yan遲chi。

正因如此
，微控製器常常被現場可編程門陣列 (FPGA) 所取代，因為它不僅僅具有高時鍾頻率
，而且還允許實現接收時鍾輸入（如圖 2 藍色線條所示）。然後，由 FPGA 發送的相同時鍾信號，經過隔離器延遲
，開始將寄存器內容移出 DIS，同時與 SOP 信號一起通過另一個隔離器通道獲得反饋，從而保持接收時鍾和數據之間的相位關係。
                  
                                               圖 2 隔離 32-通道數字輸入模塊

結論

數字輸入串行器是低功耗控製器與高 DC 電壓接口連接的最通用解決方案。SN65HVS88x 係列數字輸入串行器支持低壓控製器和高壓應用之間的接口設計，擁有各種各樣的特性

，例如：欠壓檢測、電流限製、去抖動濾波、散熱保護、奇偶發生以及單 5V 電源等。