MAX14912/MAX14913八通道數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器的特性及應(yīng)用

本應(yīng)用筆記解釋了MAX14912/MAX14913八通道數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器的主要特性，以及如何在工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中使用它們。

介紹

數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器廣泛用于過程控制（PLC系統(tǒng)）和樓宇自動(dòng)化的工業(yè)應(yīng)用。它們還可用于使用 24V DC 系統(tǒng)進(jìn)行控制的任何地方，例如電機(jī)控制、機(jī)器人和機(jī)械自動(dòng)化。

乍一看，數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)簡單的器件，只有兩種輸出狀態(tài)：ON或OFF。經(jīng)過仔細(xì)觀察，設(shè)計(jì)人員成功地取代了機(jī)械開關(guān)和繼電器，為工程師提供了許多優(yōu)勢，如穩(wěn)健運(yùn)行、低功耗、簡單、更小尺寸、靈活性和可編程性，以構(gòu)建自動(dòng)化、容錯(cuò)控制系統(tǒng)。

Maxim的數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器具有高達(dá)200kHz的開關(guān)速率、快速安全的電感負(fù)載退磁、開路負(fù)載、低壓和欠壓檢測、過流和過熱保護(hù)、看門狗定時(shí)器和SPI錯(cuò)誤檢測。它們可承受高達(dá) 60V 的功率尖峰，不受 ±1kV 浪涌脈沖和高達(dá) 12kV ESD 沖擊的影響，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

在本應(yīng)用筆記中，我們將討論如何有效利用MAX14912/MAX14913輸出驅(qū)動(dòng)器的不同特性。為此，我們研究了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須做出的決策，并研究了MAX14912/MAX14913提供的利弊和優(yōu)勢。

確定系統(tǒng)運(yùn)行條件

高端 （HS） 還是推拉 （PP）？

通常推挽操作用于高速通信，其中信號波形應(yīng)具有鋒利的邊緣。這種模式的缺點(diǎn)是輸出始終處于工作狀態(tài)，無論是高電平還是低電平，并且不能是三態(tài)或具有高阻抗，除非使用全局EN引腳。

相反，高端操作允許工程師將輸出置于高阻抗?fàn)顟B(tài)，但信號波形在很大程度上取決于負(fù)載阻抗。輸出也可以并聯(lián)連接，允許在高邊模式下高達(dá) 9.6A 的更大負(fù)載。

因此，操作模式的選擇取決于特定的應(yīng)用。

電源要求

MAX14912/MAX14913支持12V至36V的寬范圍電源，可用于廣泛的應(yīng)用，甚至適用于電源要求較低且容限較高的系統(tǒng)。這保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性和靈活性。

集成的 5V DC-DC 轉(zhuǎn)換器消除了額外的電源軌，最大限度地減少了外部組件的數(shù)量，并提高了系統(tǒng)效率。系統(tǒng)中的其他器件可以由該 5V 直流電源供電，可為外部電路提供超過 100mA 的電流。

系統(tǒng)集成

數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器是低壓MCU/FPGA與相對高壓（12V至36V）外圍設(shè)備（如執(zhí)行器、電機(jī)、燈、繼電器、LED等）之間的接口。它們對電壓和電流尖峰、電感或容性負(fù)載以及磁干擾和靜電放電具有很高的抗擾度。

此外，MAX14912/MAX14913提供廣泛的診斷功能，包括熱關(guān)斷、開路檢測、低電源和欠壓檢測以及過壓和過流保護(hù)。4 × 4 LED 驅(qū)動(dòng)器交叉矩陣允許每個(gè)通道指示輸出狀態(tài)和故障條件。

數(shù)字接口

MAX14912和MAX14913支持兩個(gè)接口;并行和串行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以靈活地使用并行或串行接口來控制操作，也可以同時(shí)使用這兩個(gè)接口。為了理解接口，我們首先回顧一些全局配置引腳。

全局配置引腳

EN – 將此引腳驅(qū)動(dòng)為高電平，使器件能夠正常工作;將該引腳驅(qū)動(dòng)為低電平將禁用任何輸出操作，即使所有輸出均為高阻抗。

SRIAL – 將該引腳驅(qū)動(dòng)至高電平可實(shí)現(xiàn)串行 （SPI） 操作;將該引腳驅(qū)動(dòng)為低電平可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)操作。

PUSHPUL – 將此引腳驅(qū)動(dòng)到高處，可實(shí)現(xiàn)推挽式操作模式;將該引腳驅(qū)動(dòng)為低電平或保持未連接狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致所有輸出引腳在高端模式下工作。

FLTR – 當(dāng)此引腳設(shè)置為高電平時(shí)，所有并行邏輯輸入和CS引腳上的毛刺濾波均使能。

并行接口

并行接口是基于引腳的簡單接口，用于控制驅(qū)動(dòng)器輸出。如果 SRIAL 引腳接地（SRIAL = 低電平），則通過并行接口控制器件。OUT_引腳的狀態(tài)由相應(yīng)的IN_引腳和全局配置引腳的狀態(tài)控制：PUSHPL、FLTR 和 EN。在并行模式下控制MAX14912/MAX14913至少需要9個(gè)GPIO引腳：控制8個(gè)輸入引腳IN_和PUSHPL引腳。FLTR和EN引腳可以始終保持高電平。引腳設(shè)置匯總于表1中。

注意：MAX14913不允許在并行模式下進(jìn)行串行配置，而MAX14912可以通過串行接口進(jìn)行配置，即使SRIAL為低電平。除寄存器 0 外，所有寄存器都可以在此模式下訪問（請參閱下面的串行接口部分）。

通過串行接口進(jìn)行配置的優(yōu)先級高于 PUSHPL 引腳設(shè)置。邏輯電平0（低）或1（高）取決于VL輸入，VL輸入的有效范圍為1.6V至5.5V。 并行模式的缺點(diǎn)是缺乏診斷信息。

串行接口

當(dāng)SRIAL引腳被驅(qū)動(dòng)到VL電平（SRIAL =高電平）時(shí)，串行SPI接口使能。在串行模式下，所有輸出引腳均由內(nèi)部寄存器設(shè)置和輸入引腳控制。寄存器可通過串行接口引腳訪問：CS、CLK、SDI 和 SDO。詳情請參考MAX14912/MAX14913數(shù)據(jù)資料中的串行接口部分。

循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC）、看門狗和濾波等某些功能僅由 CRC/IN3、WDEN/IN5 和 FLTR 引腳上的輸入邏輯控制，而開路負(fù)載檢測和輸出配置則由 OL/IN1 和 PUSHPL 引腳上的輸入邏輯或通過寄存器設(shè)置控制。

此外，CMND/IN2、CNFG/IN7 和 S16/IN8 的設(shè)置總結(jié)在表 2 中。

針					結(jié)果
SPI 模式	斯里亞爾	CMND/IN2	CNFG/IN7	S16/IN8	位	空間數(shù)據(jù)指數(shù)	性別歧視條例	筆記
	1	0	1	0	8		每通道故障	由SPI設(shè)置。故障是故障的實(shí)時(shí)狀態(tài)（驅(qū)動(dòng)程序關(guān)閉或打開負(fù)載）
				1	16		每個(gè)通道的故障和電平
	1	0	1	0	8		每通道故障	OUT 級別不變
				1	16		每個(gè)通道的故障和電平
	1	1	X	X	16		上一個(gè)命令輸出	OUT 級別可能會(huì)也可能不會(huì)根據(jù)命令而更改
	0	X	X	X	16		上一個(gè)命令輸出	輸出由 INx 引腳設(shè)置。MAX14912允許SPI配置。MAX14913不允許SPI配置。

直接模式

在直接SPI模式下，不需要命令字節(jié)。高字節(jié)控制輸出電平，低字節(jié)控制 16 位模式下的輸出配置。當(dāng) CNFG/IN7 和 S16/IN8 設(shè)置為低電平時(shí)，只能訪問 Reg. 0。當(dāng) CNFG/IN7 和 S16/IN8 設(shè)置為高電平時(shí)，只能訪問 Reg. 1 和 Reg. 2。

在直接模式寫入期間，SDO引腳上提供故障（F）和輸出電平（L）診斷（請參閱圖1和表3）。

圖1.16 位直接 SPI 模式下的 SPI 周期。

綜上所述，

當(dāng) S16/IN8 = 低電平且 CNFG/IN7 = 低電平時(shí)，一個(gè)字節(jié)的串行數(shù)據(jù)控制OUT_狀態(tài);當(dāng) S16/IN8 = 低電平且 CNFG/IN7 = 高電平時(shí)，一個(gè)字節(jié)的串行數(shù)據(jù)控制輸出模式：高邊或推挽。

當(dāng) S16/IN8 = 高電平和 CNFG/IN7 = 低電平時(shí)，兩個(gè)字節(jié)的串行數(shù)據(jù)控制OUT_狀態(tài)和輸出模式配置：高端或推挽。

當(dāng) S16/IN8 = 高電平且 CNFG/IN7 = 高電平時(shí)，第一個(gè)字節(jié)設(shè)置輸出配置（高邊/推挽），第二個(gè)字節(jié)啟用/禁用負(fù)載開路檢測。

建議先設(shè)置配置寄存器，然后再更新輸出電平。

注意：返回的F_（故障）和L_（級別）信息適用于上一個(gè)編寫的命令。寫入兩次以獲得實(shí)時(shí)故障和電平診斷。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器處于高邊模式并啟用負(fù)載開路檢測時(shí)，空載的OUT_引腳被75μA電流拉高至VDD電平。在這種情況下，將確定故障條件。

命令模式

在命令模式下，所有功能和增強(qiáng)診斷均可通過SPI接口獲得。 要設(shè)置命令模式，CNMD/IN2引腳必須設(shè)置為高電平。S16/IN8 和 CNFG/IN7 引腳的輸入將被忽略。該命令包含命令字節(jié)，后跟數(shù)據(jù)字節(jié)?？偣灿辛N可用的命令類型（有關(guān)命令說明，請參閱表 4，有關(guān)寄存器映射，請參閱表 5）。有關(guān)更多信息，請參閱數(shù)據(jù)手冊。

通信錯(cuò)誤（CRC 檢測）

循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 是一種錯(cuò)誤檢測功能，可提高通信可靠性并避免意外執(zhí)行意外命令。最初，SPI協(xié)議沒有任何錯(cuò)誤檢測功能，串行數(shù)據(jù)在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可能會(huì)損壞。啟用CRC檢測后（SRIAL=高電平，CRC/IN3 =高電平），來自SPI主機(jī)的所有命令后必須后跟一個(gè)帶有7位CRC代碼的附加字節(jié)，如圖2所示。

圖2.微控制器的SDI檢查字節(jié)。

7 位 CRC 碼，也稱為 CRC 幀校驗(yàn)序列 （FCS），是根據(jù)生成器多項(xiàng)式 （x7+ x5+ x4+ x2+ x + 1）。MAX14900E中也使用了相同的多項(xiàng)式。有關(guān)CRC計(jì)算的C代碼實(shí)現(xiàn)的更多信息和示例，請參考應(yīng)用筆記6002：“MAX14900E八通道高速工業(yè)開關(guān)的CRC編程”。

安裝MAX14912或MAX14913時(shí)，器件檢查接收到的數(shù)據(jù)是否有位損壞，如果未檢測到錯(cuò)誤，則執(zhí)行命令。如果從微控制器接收的CRC代碼與計(jì)算出的CRC不匹配，則忽略該命令，并在寄存器6中設(shè)置CRC誤差位6。CRC錯(cuò)誤在下一個(gè)SPI幀上報(bào)告給主機(jī)微控制器。

CRC計(jì)算器內(nèi)置于MAX14912EVKIT軟件中。如果CRC/IN3引腳被驅(qū)動(dòng)為高電平，CRC字節(jié)會(huì)自動(dòng)計(jì)算并添加到SPI命令幀中。如果從“選項(xiàng)”菜單中選擇了“顯示狀態(tài)日志”選項(xiàng)，則可以在“狀態(tài)日志”窗口中看到它。

圖3.數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器 GUI 中的 CRC 計(jì)算。

CRC代碼可以在CRC計(jì)算器彈出窗口中手動(dòng)計(jì)算。轉(zhuǎn)到“幫助”菜單，然后單擊CRC計(jì)算器以顯示它。鍵入字節(jié) 1 和字節(jié) 2 的值，然后單擊計(jì)算 CRC 按鈕，如圖 4 所示。

圖4.CRC計(jì)算器彈出窗口。

多個(gè)IC的菊花鏈

MAX14912和MAX14913允許以菊花鏈方式連接多個(gè)器件，并通過單個(gè)命令模式同時(shí)控制/監(jiān)視同一SPI總線上的所有器件。所有設(shè)備都使用通用的CLK和CS信號;鏈中第一個(gè)器件的SDI引腳連接到主器件的MOSI引腳，最后一個(gè)器件的SDO連接到主器件的MISO引腳。第一個(gè)器件的數(shù)據(jù)輸出（SDO）連接到第二個(gè)器件的數(shù)據(jù)輸入（SDI），如圖5所示。其他設(shè)備可以以類似的方式菊花鏈連接。

圖5.菊花鏈連接。

MAX14912/MAX14913EVKIT允許兩個(gè)評估板以菊花鏈方式連接，但相同的命令結(jié)構(gòu)適用于三個(gè)或更多器件。

例如，16 位命令模式下兩個(gè)菊花鏈設(shè)備的命令幀。

評估板應(yīng)堆疊，使以下器件的J24接頭（EVKIT #2）連接到評估板#1的J23，如圖6所示。USB電纜或外部主站應(yīng)連接至評估板#1。此外，EVKIT #1的J26跳線必須位于位置2至3，但EVKIT #2的J26跳線應(yīng)位于位置1至2。評估板#2的J9、J5、J4、J22、J10、J6、J12、JMP1、J11、JMP2、J8和J3上的跳線必須手動(dòng)設(shè)置為與GUI中相同的位置。更多信息請參考MAX14912/MAX14913數(shù)據(jù)資料和原理圖。

圖6.菊花鏈?zhǔn)組AX14912評估板

應(yīng)如圖7所示選擇菊花鏈盒。

圖7.菊花鏈操作。

菊花鏈的能力不僅限于擴(kuò)展輸出通道的數(shù)量，還允許與數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字輸入接收器組合構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如八通道數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換器/串行器系列MAX31910/MAX31913。

驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載

MAX14912和MAX14913具有感性負(fù)載的安全退磁（SafeDemag），可防止在高端模式下關(guān)斷感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的反沖電壓損壞芯片。如果需要驅(qū)動(dòng)大電感，例如執(zhí)行器、繼電器或電機(jī)，當(dāng)電流從芯片流經(jīng)負(fù)載流向地面時(shí)，感性負(fù)載中會(huì)存儲(chǔ)大量能量。當(dāng)電流因高端開關(guān)關(guān)閉而終止時(shí)，該能量在OUT_引腳上轉(zhuǎn)換為負(fù)尖峰。尖峰由內(nèi)部齊納二極管箝位至（VDD- 56V）。例如，如果 VDD= 24V，則OUT_引腳相對于地箝位至-32V。在這種情況下，存儲(chǔ)在感性負(fù)載中的能量消散得更快，因?yàn)槟芰颗c|成正比V x I|.然而，耗散更大的能量需要更多的時(shí)間。在此期間，芯片的溫度可以達(dá)到安全閾值。為了防止危險(xiǎn)的熱失控，低側(cè)開關(guān)被激活，允許更少的能量耗散，直到內(nèi)部溫度達(dá)到安全區(qū)域。

結(jié)論

Maxim的高集成度數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器系列為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了極大的魯棒性、靈活性和特性。它們是為任何工業(yè)自動(dòng)化和通信應(yīng)用構(gòu)建高度集成和高效控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。

審核編輯：郭婷