【導讀】數字輸出驅動器廣泛用于工業應用中的過程控制(PLC系統)和樓宇自動化，也可用于任何使用24V DC系統進行控制的應用，例如電機控制、機器人和機械自動化。
引言
數字輸出驅動器廣泛用于工業應用中的過程控制(PLC系統)和樓宇自動化，也可用于任何使用24V DC系統進行控制的應用，例如電機控制、機器人和機械自動化。
乍一看，數字輸出驅動器是只有兩種輸出狀態的簡單器件：開或關；略微深入了解，就會發現，成功替代機械開關和繼電器能夠為工程師帶來諸多好處，例如可靠性、低功耗、簡單、較小尺寸、靈活性，可編程性，可以用其構建自動化、容錯控制系統。
Maxim的數字輸出驅動器擁有高達200kHz的開關頻率、快速且安全的電感負載消磁、負載開路/低電壓/欠壓檢測、過流和過溫保護、看門狗定時器以及SPI檢錯。器件能夠承受高達60V電源尖峰脈沖、±1kV浪涌脈沖，以及高達12kV ESD沖擊，工作在-40°C至+125°C寬溫工作范圍。
本文中，我們討論如何有效利用MAX14912/MAX14913輸出驅動器的不同特性。為實現這一目的，我們討論系統設計師必須采取的決策，并了解綜合權衡因素和MAX14912/MAX14913提供的好處。
確定系統工作狀態
高邊(HS)或推挽(PP)式？
一般來說，推挽式工作方式用于高速通信，信號波形應具有陡峭的邊沿。該模式的缺點是輸出總處于工作狀態，為高電平或低電平，不能處于三態或具有高阻抗，除非使用Global EN引腳。
相反，高邊工作方式允許工程師將輸出置于高阻態，但信號波形很大程度上依賴于負載阻抗。高邊模式下也可以將輸出并聯，支持高達9.6A的較大負載。
因此，工作模式的選擇取決于具體的應用。
電源要求
MAX14912/MAX14913支持從12V至36V的較寬范圍電源，所以能夠用于較寬范圍的應用，甚至用于電源要求較低以及容限更寬的系統。這樣可保證系統設計的可靠性和靈活性。
集成5V DC-DC轉換器省去了額外的電源，最大程度減少外部元件的數量，以及提高系統效率。系統中的其它器件可由該5V DC電源供電，該電源能夠為外部電路提供超過100mA的電流。
系統集成
數字輸出驅動器是低電壓MCU/FPGA與相對高電壓(12V至36V)外設器件之間的接口，外設的例子包括執行器、電機、照明燈、繼電器、LED等。器件提供了對電壓和電流尖峰脈沖、電感或電容負載、磁干擾和靜態放電的高抗擾性。
此外，MAX14912/MAX14913提供全面的診斷能力，包括熱關斷、開路檢測、低電源和欠壓檢測、過壓和過流保護。4 × 4 LED驅動器矩陣可以對每通道的輸出狀態和故障狀態進行指示。
數字接口
MAX14912和MAX14913支持兩種接口：并行和串行。系統設計師能夠靈活使用并行或串行接口進行控制，或者同時使用兩種接口。為便于理解接口，我們首先了解幾個全局配置引腳。
全局配置引腳
EN – 該引腳為高電平時，器件處于正常工作模式；該引腳為低電平時，禁止任何輸出操作，例如設置所有輸出為高阻態。
SRIAL – 該引腳為高電平時，使能串行(SPI)操作；該引腳為低電平時，使能并行操作。
PUSHPUL – 該引腳為高電平時，使能推挽式工作模式；該引腳為低電平或浮空時，所有輸出引腳處于高邊工作模式。
FLTR – 該引腳為高電平時，使能所有并行邏輯輸入和CS引腳上的尖峰脈沖濾波。
并行接口
并行接口是基于引腳的簡單接口，用于控制驅動器輸出。如果SRIAL引腳連接至地(SRIAL = 低電平)，則通過并行接口控制器件。OUT_引腳的狀態由對應IN_引腳和全局配置引腳控制：PUSHPL、FLTR和EN。在并行模式下控制MAX14912/MAX14913，至少需要9個GPIO引腳：控制8個輸入引腳IN_和PUSHPL引腳。FLTR和EN引腳可始終保持為高電平。表1為引腳設置匯總。
表1. 并行模式引腳配置
注：MAX14913在并行模式下不允許通過串行接口進行配置，而MAX14912即使在SRIAL為低電平時也可通過串行接口進行配置。該模式下可訪問除寄存器0之外的全部寄存器(參見下文的“串行接口”部分)。
通過串行接口進行配置的優先級比PUSHPL引腳設置高。邏輯電平0 (低電平)或1 (高電平)取決于VL輸入，1.6V至5.5V有效。并行模式的缺點是缺少診斷信息。
串行接口
將SRIAL引腳驅動為VL電平(SRIAL = 高電平)時，使能SPI串行接口。串行模式下，所有輸出引腳由內部寄存器設置和輸入引腳控制。可通過串行接口引腳訪問寄存器：CS、CLK、SDI和SDO。詳細信息請參考MAX14912/MAX14913數據資料的串行接口部分。
循環冗余校驗(CRC)、看門狗和濾波等部分特性僅受CRC/IN3、WDEN/IN5和FLTR引腳的輸入邏輯控制，而負載開路檢測和輸出配置由OL/IN1和PUSHPL引腳的輸入邏輯控制或通過寄存器設置控制。
此外，CMND/IN2、CNFG/IN7和S16/IN8的設置見表2中的匯總。
表2. SPI接口模式選擇
直接模式
直接SPI模式下，不需要命令字節。16位模式下，高字節控制輸出電平，低字節控制輸出配置。CNFG/IN7和S16/IN8設置為低電平時，只能訪問寄存器0；CNFG/IN7和S16/IN8設置為高電平時，只能訪問寄存器1和寄存器2。
直接模式寫操作期間，通過SDO引腳提供故障(F)和輸出電平(L)診斷信息(參見圖1和表3)。
圖1. 16位直接SPI模式下的SPI周期。
表3. 16位SPI直接模式位定義
總結：
S16/IN8 = 低電平，且CNFG/IN7 = 低電平時，一個字節的串行數據控制OUT_狀態；S16/IN8 = 低電平，且CNFG/IN7 = 高電平時，一個字節的串行數據控制輸出模式：高邊或推挽式。
S16/IN8 = 高電平，且CNFG/IN7 = 低電平時，兩個字節的串行數據控制OUT_狀態和輸出模式配置：高邊或推挽式。
S16/IN8 = 高電平，且CNFG/IN7 = 高電平時，第一個字節設置輸出配置(高邊/推挽)，第二個字節使能/禁止負載開路檢測功能。
建議首先設置配置寄存器，然后再更新輸出電平。
注：返回的F_ (故障)和L_ (電平)信息針對之前寫入的命令。為了獲得實時故障和電平診斷信息，寫兩次。驅動器處于高邊模式且使能負載開路檢測時，無負載的OUT_引腳由75μA電流上拉至VDD電平。在這種情況下，確定為FAULT條件。
命令模式
命令模式下，通過SPI接口提供所有特性和增強診斷信息。為設置為命令模式，CNMD/IN2引腳必須為高電平。S16/IN8和CNFG/IN7引腳輸入被忽略。命令包含命令字節和之后的數據字節?？偣灿辛N命令類型(命令說明見表4，寄存器映射見表5)。更多信息請參考數據資料。
表4. 命令模式協議
注：所有故障寄存器只能由任意命令周期中設置Z = 1清除。
表5. 寄存器映射
通信錯誤(CRC檢測)
循環冗余校驗(CRC)是一種檢錯機制，可提高通信可靠性，以及避免意外執行錯誤命令。SPI協議初始沒有任何檢錯能力，在惡劣工業環境下可能破壞串行數據。使能CRC檢測時(SRIAL= 高電平，CRC/IN3 = 高電平)，來自SPI主機的所有命令之后必須有一個包括7位CRC編碼的附加字節，如圖2所示。
圖2. 微控制器應提供SDI校驗字節
7位CRC編碼，也稱為CRC幀校驗序列(FCS)，根據生成多項式計算(x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1)。MAX14900E也使用相同的多項式。更多信息以及CRC計算的C語言示例代碼，請參考應用筆記6002：“MAX14900E八通道、高速工業開關的CRC編程”。
MAX14912或MAX14913安裝好后，器件檢查接收到的數據是否存在誤碼，如果未檢測到錯誤則執行命令。如果從微控制器接收的CRC編碼與計算的CRC不一致，則忽略該命令，并置位寄存器6中的第6位CRC錯誤位。在下一個SPI幀將CRC錯誤報告給主機微控制器。
MAX14912EVKIT評估軟件內置有CRC計算器。如果CRC/IN3引腳為高電平，自動計算CRC字節并附加到SPI命令幀。從Option菜單中選中Show Status Log選項后，可在Status Log窗口中看到。
圖3. 數字輸出驅動器GUI中的CRC計算。
在CRC計算器彈出式窗口中，可手動計算CRC編碼。進入Help菜單，點擊CRC計算器，將其調出。輸入字節1和字節2的值，然后點擊Calculate CRC按鈕，如圖4所示。
圖4. CRC計算器彈出式窗口。
多個IC的菊鏈配置
MAX14912和MAX14913支持多個器件采用菊鏈配置，通過單命令方法控制/監測同一SPI總線上的所有器件。所有器件使用相同的CLK和CS信號；第一片器件的SDI引腳連接到主機的MOSI引腳，最后一片器件的SDO引腳連接到主機的MISO引腳。第一片器件的數據輸出(SDO)引腳連接到第二片器件的數據輸入(SDI)引腳，如圖5所示。其它器件通過類似的方式以菊鏈連接。
圖5. 菊鏈連接。
MAX14912/MAX14913EVKIT支持兩個評估板采用菊鏈連接，但相同的命令結構適用于三片或更多器件。
例如，16位模式下兩片器件菊鏈連接的命令幀。
安裝評估板時，應使下一片器件EVKIT #2的J24連接頭連接到上一片器件EVKIT #1的J23，如圖6所示。USB電纜或外部主機應連接到EVKIT #1。此外，EVKIT #1的跳線J26必須處于位置2至3，EVKIT #2的跳線J26應處于位置1至2。必須手動將EVKIT #2的跳線J9、J5、J4、J22、J10、J6、J12、JMP1、J11、JMP2、J8和J3的位置設置為與GUI中一致。更多信息請參考MAX14912/MAX14913數據資料和原理圖。
圖6. 菊鏈連接的MAX14912EVKIT。
如圖7所示，應選中菊鏈連接選擇框。
圖7. 菊鏈操作。
菊鏈連接不僅對擴展輸出通道的數量沒有限制，而且也支持通過組合使用數字輸出驅動器和數字輸入接收器，構建更加復雜的系統。例如八通道數字輸入隔離器/串行器家族，MAX31910/MAX31913。
驅動電感負載
MAX14912和MAX14913具有對電感負載進行安全消磁(SafeDemag)的功能，防止高邊模式下電感負載關斷時引起的反沖電壓損壞芯片。如果您需要驅動大電感，例如執行器、繼電器或電機，當電流由芯片通過負載流向地時，電感負載中儲存較大的能量。當高邊開關關斷造成電流終止時，能量轉換為OUT_引腳上的負向尖峰脈沖。內部齊納二極管將尖峰脈沖箝位到(VDD -56V)。例如，如果VDD = 24V，則將OUT_引腳箝位到-32V (相對于地)。在這種情況下，由于能量與|V x I|成比例，電感負載中儲存的能量將快速釋放。然而，能量越大，釋放需要的時間越長。在此時間期間，芯片的溫度可能會達到安全門限。為防止危險的熱擊穿，激活低邊開關，使能量釋放較小，直到內部溫度達到安全范圍。
總結
Maxim的高度集成數字輸出驅動器為系統設計師提供大量的可靠性、靈活性和豐富功能。這些器件是為工業自動化和通信應用構建高度集成和高效控制系統的關鍵要素。
（來源：Maxim，作者：Yuriy Kurtsevoy, 戰略應用工程師）
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