將高電壓應用接合於低功耗控制器

將低電壓微控制器及數位訊號處理器 (DSP) 接合高電壓感測器開關和其他數位高電壓電路是許多商業和工業應用面臨的共同難題。在大多數情況下，需要透過這些介面獲得二進位 (1/0 或高/低) 狀態資訊形式的回授。

新一代介面裝置「數位輸入序列器 (DIS)」可在接合低功耗微控制器時感測數位輸入電壓，感測範圍最低可達 6 Vdc，最高可達300 Vdc。

本文將介紹數位輸入序列器的運作原理及其低、中、高電壓輸入訊號的配置。

運作原理

為了更瞭解 DIS 的運作原理，下文以完整的介面設計解說該裝置 (圖 1)。一般而言，高電壓匯流排為一組感測器開關 S0 – S7 供電，其開/關狀態由裝置的八個電場輸入 IP0 – IP7 所感測。內部訊號處理將輸入訊號轉換為低電壓位準，並且將這些電壓位準施加於串列輸入、序列輸出偏移暫存器的輸入。微控制器的負載脈衝傳輸至 /LD 輸入時，內部輸入資料即鎖定於偏移暫存器中。微控制器將時脈訊號施加於 CLK，資料以序列方式從 DIS 中偏移，並透過數位隔離器進入控制器暫存器，即完成偏移暫存器內容的讀取。

高電壓介面需要使用數位隔離器，使劇烈變化的遠端感測器開關接地電位與控制器電子裝置的本地接地相隔離。 

 

適用於高電壓介面的感測器開關包括近接開關 (proximity switch)、中繼接點 (relay contact)、限位開關 (limit switch)、按鈕 (push-button) 等。對於高輸入電壓而言，必須進行輸入電阻 R_IN0 到 R_IN7 的實作，才能將輸入開關閾值升高，而低輸入電壓的系統通常不需要輸入電阻。

圖 1 顯示高達 34V 的電源電壓可直接施加於供電端子及八個輸入端子，完全不需要保護電阻。在這種電源電壓的情況下，內部線性穩壓器可以提供穩定的 5V 輸出，為裝置內部電路和外部隔離器或微控制器供電。另一個輔助功能是單晶片溫度感測器，在接點溫度達到 150^oC 時會向控制器發出警報。

透過可調整的輸入電流限制，即可使得裝置輸入端承受高達 34V 的高電壓。對於純粹電阻輸入的高電壓介面而言，由於輸入電流增加造成輸入電壓升高，導致耗電量大幅升高。另一方面，由於將輸入電流限制在可透過外部高精度電阻調整的恆定程度，因此 DIS 的輸入大幅降低耗電量。

此外，各通道都會檢查輸入訊號的強度和耐受力。電流感測及電壓感測的功能具有一些內部訊號閾值，可用以確保通道不會由任何漏損電流或剩餘電壓觸發。

在開啟狀態 (開關關閉) 的情況下，電流比較器會感測輸入電流是否高於預先定義的漏損閾值，而電壓比較器則感測輸入電壓是否高於內部固定的參考電壓。如果兩個比較器輸出均為邏輯高位準 (logic high)，則可程式去除抖動濾波器將檢查輸入狀態的新變化是否為雜訊暫態或真實輸入訊號所引起。

在開啟狀態時，濾波器輸出為高位準，而且電流限制器輸出連接至訊號返回輸出(REx)。各個 RE 輸出均有發光二極體 (LED) 連接接地，可以清楚指示感測器開關的狀態，因此如果開關關閉，LED 將亮起。在關閉狀態 (開關開啟) 時，濾波器輸出為低位準，而且電流限制器的輸出切換至接地，則 LED 熄滅。