DIY PLC 組件：用於工業自動化的 24VDC 輸出驅動器的關鍵特性

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本工程簡報透過對安裝在 MIKROE TPD2015 上的 Toshiba TPD2015FN 的深入研究，介紹了可編程邏輯控制器 (PLC) 數位輸出驅動器。CLICK 提供了一個便利的分接板和開發平台，方便使用者探索 Toshiba 硬碟的特性。

本文旨在提供教育內容，探討 MIKROE 開發板的應用以及程式碼範例。此外，本文也對 CLICK 開發板上搭載的 IC 進行了技術描述。這些資訊對於初次接觸 MIKROE 產品的使用者以及對 MIKROE CLICK 設計進行逆向工程以便未來整合到自身工業控製或樓宇自動化專案中的設計人員都很有幫助。我們意識到，本文可能並非 MIKROE 產品最直接的實現方式。請造訪 mikroe.com 以取得最新的庫和節省時間的作業系統。再次強調，我們的目的是教育用戶，重點在於理解 MIKROE 分接板上 IC 的內部運作原理。

重點總結

  • Toshiba TPD2015FN 是一款先進的 8 引腳高側 MOSFET 驅動器，專為 PLC 應用而設計，可為包括繼電器、電磁閥、指示燈和小電機在內的 24VDC 工業負載供電。

  • 最新的 MIKROE CLICK TPD2015 為 Toshiba TPD2015FN 提供了一個低成本的分接板。

  • Toshiba TPD2015FN 具有先進的保護電路，可有效防止過溫、過流和短路。需要外部二極體來防止感應反沖。

  • Toshiba 解決方案整合了電壓調節器和電荷泵等輔助電路，可實現低 MOSFET 導通電阻。這可以簡化您的工業自動化和控制電路設計。

  • 設計一款穩健的 24VDC PLC 輸出驅動器並非易事。要打造一款能夠在極端工業環境下可靠運作的電路，使其能夠承受過載、短路和靜電放電 (ESD) 等衝擊，需要格外謹慎。

  • Toshiba TPD2015FN 是一款源型（高側）驅動器。東芝 TPD2017FN 則是一款漏型（低側）驅動器。

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圖 1：MIKROE TPD2015 的圖像，其中包含 Toshiba TPD2015FN 驅動積體電路。

技術提示：Toshiba TPD2015FN 被歸類為源極（高側）驅動器。與其密切相關的產品是 TPD2017FN,L1F 汲極（低側）驅動器。請注意，大多數 PLC 採用模組化結構，允許使用者根據自身需求選擇汲極或源極半導體驅動器。2015 和 2017 的引腳排列幾乎完全相同，只需對 PCB 進行少量修改即可在兩者之間進行切換。事實上，仔細觀察 TPD2015 可以發現 '15 和 '17 的跳線，這表明 TPD2017 使用了相同的電路板。

什麼是高側驅動器？

工業控制和自動化系統通常在 24VDC 生態系統中運行，該系統包含感測器、執行器、控制繼電器、指示燈和小直流馬達。當我們專注於智慧繼電器和 PLC 時，會遇到兩種獨特的現場設備控製配置：漏型配置和源型配置。

圖 2（左）顯示了源極（高側）配置。請注意，負載電阻器位於 MOSFET 的源極引腳上。當 MOSFET 閘極相對於地被拉至約 36VDC 時，負載會啟動。這說明了堆疊在 24VDC 電源頂部的 12 V_{GS} 驅動電壓，以確保較低的 MOSFET 導通電阻。Toshiba TPD2015FN 規格書中的圖 3 反映了這一點。負載連接至 N 通道輸出 MOSFET的源極。內部電荷泵用於開發高側 MOSFET 的閘極驅動。雖然電壓未明確規定，但我們可以預期電荷泵會在 VDD 輸入電壓的基礎上額外提供約 12VDC 的電壓。有關 DIY 電荷泵電路，請參閱這篇文章。

圖 2（右）所示為一種灌電流（低側）驅動器，其中負載電阻連接到 MOSFET 的漏極。一般來說，低側驅動器的建置更為簡便，因為控制器和 MOSFET 共用一個接地線。低側驅動器無需使用電荷泵或自舉電路，只需要一個低阻抗驅動器和一個 12VDC 接地參考電源。

技術提示：「源極驅動」和「MOSFET 源極」指的是兩個不同的概念。為了更清楚地說明這些概念，我們用 BJT 取代 MOSFET。現在，BJT 透過其發射極向負載提供電流。當我們切換回 MOSFET 時，它則透過其源極提供電流。

技術提示：到目前為止，我們一直謹慎地使用「流出」和「高側」這兩個術語來指稱 TPD2015 的電路。這是必要的，因為該產品服務於兩個不同的群體，而這兩個群體各自有著不同的術語。電路設計人員在指稱電路時會使用「高側」一詞。例如，他們可能會採購「高側」驅動IC。而工業控制工程師和技術人員通常會使用「流出」一詞（「採購」與「流出」的英文皆為 sourcing），例如在描述電路元件選型或採購 PLC 模組時。尤其是在跨部門或跨專業領域溝通時，理解並保留這些用詞差異至關重要。

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圖 2：顯示 MOSFET 驅動器和負載電阻器的灌電流和拉電流配置的影像。

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圖 3：Toshiba TPD2015FN 的方塊圖，顯示了輸出 MOSFET 和關鍵電路（如電荷泵）的位置。

TPD2015 控制端連接

MIKROE TPD2015 採用 MikroBUS 插座標準。此匯流排配備一對 8 位排針座，主要用於 SPI 和 I2C 等通訊協定。

與其他 CLICK 開發板相比，TPD2015 的設計更為簡潔。MIKROE 的工程師沒有採用透過中間微控制器（串並轉換器）進行串行通訊的方式，而是允許直接連接到 TPD2015FN 的全部八個命令引腳：

  • 輸出 1 至 4 的控制可透過 mikroBUS 實現。
  • 輸出 5 至 8 的控制可透過 5 位排針座（4 個訊號針加一個地針）來實現，如圖 1 所示。

我們採用的是一種極簡設計。CLICK - TPD2015 晶片被插入 MIKROE-5739 Arduino UNO 擴充板的 mikroBUS 插槽 #2。控制連線非常簡單，具體內容將在本文後面的程式碼清單中介紹。此設計未使用輸出 4 至 8，也未使用即插即用的 ClickID 認證晶片 DS28E36BQ。

技術提示：我們使用 Arduino UNO R4 Minima 取代了經典的 Arduino UNO R3。這款新的 Arduino 開發板配備了 32-bit Arm Cortex M4 處理器。R4 和 R3 的 I/O 規格幾乎完全相同。此外，新款 R4 在 DigiKey 上的售價也更低。

TPD2015 的輸出端連接

如圖 4 所示，TPD2015 安裝在 Phase Dock 訓練台上，相關的接線圖如圖 5 所示。該電路展示了其與典型工業元件的兼容性，包括兩個控制繼電器和一個紅綠雙色指示燈。如影片 1 所示，CR2 驅動一個 24VDC 風扇。這張梯形圖與 PLC 接線圖類似，工業工程師和技術人員會比較熟悉。

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圖 4：安裝在 Phase Dock 工業訓練器上的 MIKROE TPD2015 的圖像。

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圖 5：圖 4 所示系統的 MIKROE TPD2015 接線圖。

用於 TPD2015 的 Arduino UNO 程式碼

以下是極簡程式碼。請注意，Toshiba TPD2015FN 的控制輸入 1 至 4 可直接透過 mikroBus 存取。其餘輸入（本示範中未使用）位於一個獨立的標頭中。


// Use mikroBUS socket #2 of the Arduino UNO CLICK shield (MIKROE-5739)
 
#define PL_GREEN 15 // TPD2015FN in 1
#define PL_RED 3
#define CR1 9
#define CR2 16 // TPD2015FN in 4

#define OFF LOW
#define ON HIGH

void setup() {
  pinMode(PL_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(PL_RED, OUTPUT);
  pinMode(CR1, OUTPUT);
  pinMode(CR2, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(PL_GREEN, ON);

  delay(1000);

  digitalWrite(CR1, ON);

  delay(2000);  

  digitalWrite(CR2, ON);
  digitalWrite(PL_GREEN, OFF);
  digitalWrite(PL_RED, ON);

  delay(2000); 

  digitalWrite(CR1, OFF);
  digitalWrite(CR2, OFF);
  digitalWrite(PL_RED, OFF);

  delay(2000);  
}

影片 1：MIKROE TPD2015 在 Phase Dock 訓練器中的示範。

Toshiba TPD2015FN 的局限性

Toshiba TPD2015FN 旨在為 24VDC 工業和建築自動化控制系統提供完全整合的驅動器。其緊湊的設計包含八個獨立的驅動器，從而節省了 PCB 空間。外部電路需求僅限於電源去耦電容。需要外部二極體來防止電感式負載引起的返馳電壓。

驅動電感式負載

飛輪二極體（Freewheeling diodes，也稱為返馳二極體、電感式反沖二極體或電動勢保護二極體）是保護半導體開關免受電感負載斷路時產生的高壓尖峰影響的關鍵元件。許多（但並非所有）工業電感負載（例如繼電器）都包含整合式飛輪二極體或具有保護二極體的選用模組。如圖 4 所示，Phoenix Contact 2903334 繼電器包含一個 2900939 模組，用於在繼電器斷電時防止電感式反沖。

仔細查看 TPD2015FN 的規格書可知，這些關鍵二極體並未內建。MIKROE TPD2015 也缺少這些二極體。為了獲得最佳保護，請務必安裝 Toshiba 肖特基 CRS20I40A(TE85L,QM 二極體。驅動電感負載時若未增加反激保護，將導致 TPD2015FN 損壞。

未來的文章，將會介紹如何在 MIKROE TPD2015 和 TPD2017 上安裝保護二極體。

過電流/過載

TPD2015FN 是一款 0.5A 驅動器。它也可以並聯多個通道來驅動 1A 負載。此裝置具有內部保護功能，可防止短路。雖然 IC 本身俱有保護功能，但最好還是加裝一個合適規格的保險絲或斷路器。

過溫保護

MOSFET 的最壞情況導通電阻為 0.55ohm。典型的過電流活化電流為 1.8A，這表示單一過載通道的功耗將超過 IC 的絕對最大功耗。為防止裝置損壞，當晶片溫度（典型值）超過 175degC 時，TPD2015FN 將關閉。之後，由於通道溫度在典型的 20degC 滯後範圍內交替變化，因此裝置將經歷熱循環。

後續步驟

本文概述了智慧繼電器、PLC 和樓宇自動化設備中常用的 24VDC 輸出驅動器。為了進一步提升您的知識：

  • 了解工程師在 PLC 中整合了先進的保護功能。深入探索 PLC 應用的廣闊而複雜的領域。

  • 對 PLC 輸出級進行逆向工程，重點在於光隔離技術，以保護敏感邏輯電路。

  • 探索靜電放電 (ESD) 在工業環境中的應用以及提高工業 I/O 可靠性的技術。請參考 IEC 61131-2 和 61000-4-X 標準。

  • 探索驅動電容性負載（例如長電纜）的影響。

  • 探索用於降低接觸器保持電流的 PWM 技術。

  • 探索採用步進加方向介面的馬達驅動器，並專注於驅動器的開啟和關閉時間。

  • 使用 Toshiba TPD2015 或 TPD2017 建立您自己的 PCB。

  • 探索使用 TVS 二極體和中間繼電器來控制接觸器關閉速度。

  • 探索使用高級驅動器（例如 Analog Devices MAX14912AKN+）的主動箝位技術來消除返馳二極體。

  • 優化設計，以平衡成本、效能和使用壽命。

結語

MIKROE TPD2015/17 為研究 24VDC PLC 驅動器的特性提供了一個絕佳的入門平台。這款分線板在 mikroBUS 生態系統中非常容易使用，無論是物理層面還是程式層面。

敬請期待，我們將深入探討 MIKROE-6072 24VDC 數位輸入模組。與 TPD2015 配合使用，我們便擁有了一個 DIY PLC 的基礎，該 PLC 具有 8 個數位輸入和 8 個數位輸出。加上 MIKROE-5540 4-20mA 模組，樂趣更上一層樓！

切記要做好感應反沖保護。

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