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Fuse, fuse resistor to prevent burnout or fire of semiconductor components
Current Fuses and Fusing ResistorsHow To Use Current Fuses and Fusing ResistorsCurrent Fuses are one of the simplest devices to protect a circuit. The resistors with fusing function protect the equipment or parts from burning by breaking the abnormal current in a malfunction such as short-circuiting. TF, CCP , and CCF are lined up.This product also has the fusing function. It works to fuse and prevent semiconductor element or resistor from burning or firing when the current exceeding fusing power is dissipated.TF Chip fusesCharacteristicsIt is a small, lightweight chip current fuse for secondary circuits.According to the exclusive structure and production method, the fuse characteristics are stable.Can reduce the occupied area.Low internal resistance and reduced voltage can reduce power consumption.Overcurrent protection for circuit components for small electronic devices.Corresponding to reflow soldering and wave soldering.Conforms to EU RoHS. CCP Circuit protection componentCharacteristicsWhen the current is too large, the circuit can be cut off quickly, smokelessly and without heat.The metal electrode is used, the terminal strength is excellent, and the solder adhesion is excellent.The exterior molding is molded, the dimensional accuracy is high, and the mounting performance is excellent.Terminal lead-free products, in line with EU RoHS.Corresponding to reflow and wave soldering CCF Chip current fuse (anti-vulcanization type)CharacteristicsExcellent resistance to vulcanization due to the use of high-performance anti-vulcanization materials.According to IEC60127-4. (7A or less)It is made of ceramic body and has excellent mechanical strength.Corresponding to reflow and wave soldering.Conforms to EU RoHS.Fusing resistors are suitable where certain resistance is required for using a circuit and a failure of any other device might cause smoke or fire. In general, blow speed is slower than that of current fuse, it will not be recommended for instantaneous fusing requirement. Check fusing resistor lineup of leaded resistors for RF73 RF RF26 RF25CC and WF.Current FusesFusing ResistorsNormal functionZero current pathSpecified value resistorOverloadBlowBlowCause of blowOver currentOver power dissipationFusing CharacteristicsInstantaneous fusingPrecise fusinSlow blowWide scatter in fusingApplication Examples of Current FusesOne piece of the fusing product is enough as long as the fuse of the main power supply is fused when any local failure of power circuit is caused. But the power supply of today's equipment is divided into several independent blocks and the main power supply unit sometimes fails to detect the malfunction in terminal where current is small. A failure, severe enough to cause a danger in the local block, might not always be detected at the main fuse.To design a safe circuit, we recommend fuses or some protective devices should be included in each branch or block so circuits shall not emit smoke or catch fire even if a malfunction like short-circuit or motor lock is caused in each block.Diagram of TF structureDiagram of CCP structure Diagram of CCF structure  Application Example of Fusing ResistorsIn the IC circuit recommended, a resistor is inserted in to the power supply Vcc in series, it works as a current limiter, and at the same time as a decoupling device with noise together with the capacitor.But in case of failure, when the IC or the capacitor is short circuited, depending on the supply voltage and resistance value, the resistor may emit smoke or catch fire without operating any protector circuit. Fusing Resistors RF RF73 are suited to break the current without burning. RF Coated insulated fuse resistorCharacteristicsUsually functions as a resistor.For abnormal overload, quickly blow and protect the circuit.Flame retardant coating (equivalent to UL94 V-0).Conforms to EU RoHS.  RF73 Rectangular chip fuse resistorCharacteristicsIt functions as a resistor during use, and it quickly breaks when it is abnormal to prevent damage to the circuit.It is the same shape as the R73 series.It is UL1412 safety standard certification product (1J is not recognized).Corresponding to reflow soldering and wave soldering.Terminal lead-free products, in line with EU RoHS. Lead glass contained in electrodes, resistive layers, and glass is not applicable to the EU RoHS Directive Resistors to suppress parasitic oscillation of emitter follower circuitEmitter follower circuits are often used to realize low output impedance amplifiers. But they can oscillate parasitically unless proper attention is paid. When this phenomenon is overlooked, unexpected trouble may be caused, e.g. EMI. Moreover, it is difficult to check oscillation because the condition is so delicate as to be changed by touching with a probe of an oscilloscope. Still more, oscillation can be stopped even with changing temperatures.An effective solution for this kind of oscillation will be to decouple the collector from the Vcc and to put a resistor Rb, ranging from several 10 to several 100, to the base circuit as illustrated. When the emitter load is capacitive, inserting a low resistance resistor into the load in series also has an effect.For power amplifiers, this series resistance becomes very small. And it might bring about unexpected heating or going up in smoke depending on the transistor failure mode. In such situations, Fusing Resistors RF or RF73 which has a fuse function is recommended. Rush current should be taken into consideration together when choosing Fusing Resistors.Resistors to stabilize FET switching operationMOSFET is popular high frequency switching device. A gate resistor of a low value has an effect of stabilizing switching operation. If resistance is too low, it may give instability due to chattering at transistor "on" and "off" transient. On the other hand, the waveform becomes dull if gate resistance is too high. Therefore the suitable value should be determined by observing the waveform. This consideration is especially important for power MOS devices, because the gate resistance may have correlation to surge voltage and switching energy loss.For power MOSFET, this gate resistance becomes very small. And it brings unexpected heat and emission of smoke due to the transistor failure mode. In such situations, Fusing Resistors RF or RF73 which has a fuse function is recommended. Rush current should be taken into account together when choosing Fusing Resistors.
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Inductors are classified according to winding structure and core material.
Types and characteristics of inductorsThere are many kinds of inductors, some of which are called by function, such as "anti-current coil" and "ignition coil" etc. Some are expressed by shape like "chip inductor". An inductor will have many names depending on its usage, which can easily cause confusion.Next, we will introduce inductors from different pointcuts.Classification based on winding structureWound inductor                                                          About coils, the most familiar thing is spring inductors.                                                                      照片-1 Spring inductor Such an inductor is basically a copper wire with an insulating film, that is, a magnetic wire, a coil-like spring-like spiral shape, a type wound around a plastic bobbin, and a type directly wound around a molded ferrite core.(Fig. 7)Fi-8 Rectangular magnetic wire effectIn order to meet the demand for miniaturization and thinning, such inductors have developed many kinds of winding structures. There is no shortage of types that use rectangular magnet lines instead of circles. (Fig. 8) In this way, the gap of the winding portion is eliminated. When the number of turns is the same, the cross-sectional area of the copper wire is increased, the DC resistance is reduced, and the copper loss is also reduced. This makes it possible to produce a highly efficient inductor.For the same reason, the use of copper plates instead of magnetic wires has also been put into practical use.Laminated inductorCompared with energy efficiency, inductors for high-frequency circuits pay more attention to miniaturization and high-frequency characteristics. Nowadays, the idea of discarding "winding" has appeared, and conductors of conductor metal are printed on the sheets and substrates.A fraction of a circle of inductor is printed on a green sheet that is stretched into flakes from ferrite and ceramic materials. Overlapping multiple layers is the inductor. With the thinning of green sheets, fine printing techniques, and advances in the technology of using via-holes, it is possible to fabricate small, high-inductance inductors. (Fig.9)Fig-9 Laminated inductor Thin film inductorCorresponding to a laminated inductor printed by a screen printing method, an inductor having a coil pattern is formed by using a metal film having a thinner printing than a printing method using a sputtering degree and an evaporation technique, and is called a thin film inductor. Provides small, high-precision inductors through the use of semiconductor manufacturing technology. (Fig. 10)Fig-10 Thin film inductor Classified according to placementThere are lead type inductors for surface mount and surface mount type (chip inductors). According to the core material classification Silicon steel plateMaterials that are good at use in the low frequency band are widely used in power transformers, choke coils, etc. in the commercial frequency band (50/60 Hz). Adding a few percent of iron to iron can increase magnetic permeability and reduce aging. This material is cold-rolled to form a plate having a thickness of about 0.05 to 0.5 mm, and then pressed into an E-type I, and then several tens of sheets are used in an overlapping manner.In order to prevent the loss caused by the eddy current, the surface of the core should be insulated one by one. The higher the frequency, the thinner the steel plate used.PermalloyA high magnetic permeability material made of nickel added to iron is called permalloy. By adjusting the nickel content, the initial magnetic permeability and the saturation magnetic flux density change, and thus it is suitable for a low-frequency signal transformer, a choke coil, and the like.Powder coreIt is pressed from a fine particle powder containing molybdenum as a main component, and its magnetic resistance is higher than that of a bismuth steel plate, so that the loss due to eddy current can be reduced. Suitable for high-frequency smoothing coils of power line filters and switching power supplies.Ferrite coreWide range of high permeability materials for high frequency applications. The main component, iron oxide (Fe2O2), is mixed with a metal compound such as manganese, magnesium, nickel, zinc, etc., and is sintered at a high temperature. Representative ferrites include Mn-Zns and Ni-Zns.Air coreAn inductor that does not use a magnet as a core material is called a hollow inductor. The core material is hollow (air), and the core material is a wound inductor using a non-magnetic material such as alumina, a laminated inductor in which a non-magnetic material sheet is stacked, a thin film inductor using a non-magnetic material substrate, etc., all of which are hollow inductors. Device. It is called a hollow inductor because there is no such thing as a magnet core (= empty). 
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Classification of resistance according to structure and usage
Categorize by ConstructionCategory of ResistorsThere are various types of resistors if you combine function, shape, resistive material and its purposes.Categorized by function, there are three types of resistors; fixed resistors, used in a electric circuit; trimmer potentiometer to adjust a circuit; variable resistor, used as a radio volume by changing the resistance.Fixed resistors are divided into lead type(with lead wire) and surface mount type without lead wire. Surface mount type includes rectangular type and cylinder type. Resistors are more divided into resin mold type and ceramic type, etc depending on cealing material.   The materials of resistive body includes more; Film type that includes carbon film, metal film that applies Nicrom, metal oxide film and metal glaze composited by metal oxide and glass; metal plate, metal wire, those that apply metal foil; solid type that applies metal oxide ceramics.          The purposes of resistor are different depending on resistance tolerance, temperature characteristics, high voltage type, surge resistant type, fusing type and temperature characteristic that changes resistance. You have to select a suitable resistor for your purpose depending on combinations mentioned above. Characteristics of fixed resistorsFixed Chip ResistorResistors with the electrodes are processed for both soldering and bonding or either of them. These types of resistors do not have terminal wire(lead wire).They are divided into rectangular type and cylindrical type. There are five following types according to resistive material.Rectangular type——1. Metal glaze film type, 2. Metal film type, 3. Metal plate typeCylindrical type——3. Carbon film type, 4. Metal film typeAmong them, metal glaze film type consists mostly of the market considering cost, downsizing and mountability. Some statistics say that more than 90% of fixed chip resistors are metal glaze film type. The trend of downsizing is increasing amont this type of resistors; size 1005(1.0mm×0.5mm) or size 0603(0.6mm×0.3mm) are increasing, whereas mobile telecommunication field like cell phones and smartphones are applying size 0402(0.4mm×0.2mm).Rectangular type chip fixedresistorsThis type is largely divided into thick film metal glaze type and thin film metal type. Thick film type is mostly massproduced. Thick film type is excellent for mountability and environmental resistance whereas thin film type features small resistance tolerance, small T.C.R. and low current noise. Especially for TC.R., thick film type is around 100×10-6/K while thin film type has extremely small T.C.R. like 10×10-6/K and achieves stable resistance. The size of rectangular type resistors are specified from 0402, 0603, 1005. 1608, 2012 and 3216. The size 0603 are rapidly increasing among mobile telecommunication devices. Size 1005 and 1608 are applied mainly for consumer products, size 1608 and 2012 are widely used for consumer products, industrial equipment and automotive applications. High power type has size 3216, 3225, 5025 and 6331 in its portfolio.Cylindrical chip fixed resistorThis is so called MELF type resistors which has such construction of general type axial lead resistors without lead wire but with metal plate cap on both ends of the body instead.  The product features cylindrical shape with metal caps, so no two sides, excellent electrode strength and mechanical strength, excellent dimension tolerance and suppy and mountability. Metal film type also features to achieve resistance precision, T.C.R. and current noise in high level.Network resistorsTwo or more resistive elements are integrated and compound on a insulative substrate and this resistor circuit network is regarded as one electronic component. Each one can be connected as necessary. If this is integrated by resistors with two electrodes each, we call it alley, whereas we call network for those integrated by forming a circuit network.The main applications are pull-up and pull-down resistors for digital circuits.They are divided into SIP(Single Inline Package)type, DIP(Dual Inline Package)type, flat package type, chip carrier type.In the past when the carbon film resistors were the mainstream, output of SIP type had been rapidly increasing to meat high density mounting. As the mounting technology changed into surface mount type, products shifted to chip network resistors and the current mainstream is chip network resistors and SOP(Small Outline Package) type.Chip network resistors covers to response the high density mounting by chip resistors, which shows the largest growth in the output among network resistors. two-alley and four-alley are the mainstream of the demand, size 3216 is used for industrial equipment, size 1608 for electronic devices, size 1005 and 0603 for cell phones, computers, DSC, digital video cameras.Carbon film fixed resistorsFixed resistors that have carbon film as a resistive element, which is the most popular type resistors from long ago. 1/4W type and 1/2W type are the most by electric category; now the small type like 1/4W type in size 3.2mm×φ1.9mm and 1/2W type in size 6.3mm×φ2.85mm are the mainstream and excellent in pulse resistance. They are widely used as general-purpose type.Metal film fixed resistorsFixed resistors that have metal film as a resistive element, which are high precision and stable, with small resistance tolerance, T.C.R. and aging. Low current noise, too. The main applications are industrial equipment like telecommunication, measuring equipment, or circuits for micro signals in computers, their peripherals, AV devices etc.Metal oxide film fixed resistorsThe resistive element is metal oxide film. The product is small (the smallest volume per rated power) size and has excellent heat resistant. Low T.C.R. is achievable by low cost compared to power type metal film resistors. Main application is power supply circuits.Wirewound fixed resistorsThe resistive element is metal resistive wire. Excellent pulse resistance and heat resistance. Small T.C.R. and low current noise. Difficult to get high resistance and not suitable for high frequency circuits because of its wirewound construction.Those resistors are used as inruch current control resistors in power supply circuits. The products of low resistance are used for current sensing.
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Material construction and role
Basic of ResistorsWhat is Resistor?To understand a resistor, the important thing is to understand Ohm's Law, first of all.This is the basic knowledge.Ohm's Law means [the current what flows in to an electric conduction object is proportional to the voltage of both end of it] and defines the relationships between (E) voltage, (I) current, and (R) resistance as below.                R is proportionality coefficient and called resistance(electric resistance). Resistance volume code is R, unit code is Ω(ohm), and electronic symbol is expressed as below.[Electronic symbols of resistor]If the resistance is higher, the current will be difficult to flow, but easy to flow if the resistance is lower. In other words, resistor works to keep the current flowed to a circuit stable and to change it if necessary. Resistor also works to decrease the voltage or divide the voltage. Resistor is thus indispensable product for one of the fundemental components of electric circuit, as capacitors and inductors.Material construction and roleResistor is basically composed of following four elements.Base substrate: holds resistive body and terminalsAlumina type insulators are most used for base substrate of resistors.We have to select suitable material(thermal conductivity, thermal expansion of coefficient, mechanical strength) according to the purpose of resistor.Resistive body: part that determines basic features and performances of resistorElectric resistanceHere is the substance as shown in rightWhenSection area[cm2]:SLength[cm]:LSpecific resistance of the substance[Ω・cm]:ρElectric resistance R of this substance would be R=ρ・L / S [Ω]Terminal: part that connects resistive body and base substrate(circuit pattern) both electronically and mechanicallyVoltage or current is applied to terminal. Resistor should have suitable terminal construction and shape according to the mounting method.To improve the mounting density and to reduce the mounting cost, surface mount device(SMD) are predominated now.Coating: To protect resistive element and base substrate from air and mechanical stress.Construction example of resistorFlat Chip Resistor    Lead type Resistor(film type) 
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Selection of metal oxide varistors——KOA
Steps to select a varistorSteps to select a varistorThe basic steps for selecting a metal oxide varistor are shown in Figure 1. The following follows the basic steps to track the selected process through specific examples.Fig.1 Basic steps for selecting a varistorCase) Lightning surge absorption measures between power linesFig.2 Circuit examplevoltage VE=200(Vr.m.s.)±10%Surge voltage Vs=5(kV)Equivalent surge impedance ZS=100(Ω)Surge pulse width tT=50(μs)Load withstand voltage VP=800(V)Number of surges N=104times①Determining the varistor voltageFirst, select the appropriate varistor voltage based on the circuit voltage.1) According to the circuit voltage VE(V), the minimum value of the varistor voltage to be selected is determined by the equation 1.VE≦VV(min.)(1-α) …①VE:The peak of the circuit voltageVV(min.):Varistor minimum voltage valueα:Safety factor(α=0.1)In the example, the power supply voltage is 200Vr.m.s.±10%,Determine the varistor voltage with Equation 1VV(min.)≧(200√2 ×1.1)/(1-0.1)≧346(V)In the example, it is necessary to select a varistor with a lower limit of the standard range of the varistor voltage range recorded in the catalogue above 346V.In addition, there is a standard for varistor, that is, the upper limit of the voltage that can be continuously applied, that is, the maximum allowable circuit voltage.If a voltage exceeding this voltage is continuously applied, the varistor may be degraded, which also needs to be considered.2) According to the circuit voltage VE(V), the required maximum allowable circuit voltage is obtained by the equation ②.VE≦VA(1-α) …②VE:Circuit voltageVA:Maximum allowable circuit voltageα:Design margin(α=0.2)In the example, the supply voltage is 200Vr.m.s.±10%,Determine the varistor voltage with Equation ①VV(min.)≧(200×1.1)/(1-0.2)≧275(V) The nominal varistor voltage of the varistor needs to be selected according to the following two conditions: the standard range of the varistor voltage range is above 346V, and the maximum allowable circuit voltage is above 275V.For the product catalog, products with varistor voltages above NVDxxUCD390 should be selected.But this alone is not enough.It is also necessary to investigate whether the voltage suppression range of the varistor is appropriate when subjected to a surge voltage surge.If it is not appropriate, it may not be possible to obtain an appropriate voltage suppression effect at the critical moment of the surge voltage surge.②Calculate the inrush current through the varistorAssume that the circuit to be protected is Fig. 3, and the surge current Ip through the metal oxide varistor can be obtained by the equation ③.Fig. 3 Surge equivalent circuitIp=(Vs-Vc)/ Zs …③Ip :Inrush current Vs :Surge voltageVc :Varistor suppress voltageZs :Equivalent surge impedance Vc is less than Vs in most cases, so you can also ignore Vc for simple calculations.In the case, VS=5(kV)、ZS=100(Ω)、VP=800(V),According to type ③Ip=5000/100=50(A) ※Pulse Width tT=50(μs)It can be seen that the current value through the varistor is affected by the surge voltage 50(A)。③Determine the suppression voltage (limit voltage)The limiting voltage is selected according to the voltage-current characteristic curve of the product catalog, and the limiting voltage of the metal oxide varistor corresponding to the current IP obtained by the equation ③ should be VP or less with respect to the withstand voltage VP of the protection target (refer to Fig. 5).Fig.3  Relationship between voltage-current characteristic curve and IP and VPIn the example circuit, the nominal voltage of the varistor is above 390 (V),The maximum allowable circuit voltage is above 275 (Vr.m.s.), according to the voltage-current characteristic curve of the catalog,A metal oxide varistor having a limit voltage of 800 (V) or less corresponding to Ip=50 (A) is tentatively selected.The result obtained against this condition is...φ10 product:NVD10UCD430、NVD10UCD470φ14 product:NVD14UCD430、NVD14UCD470Need to choose from the above four products.④Determine the size of the disk diameterAccording to the surge current IP obtained by the transmission 3 and the surge pulse width tT(s) and the number of repetitions,Use a surge resistance and surge life characteristics (refer to individual standards) to select a metal oxide varistor within the allowable range.IP=50(A), tT=50(μs) calculated according to ③, repeated 104 timesSelect the surge tolerance and surge life characteristics of the product catalog.The result of comparing the product catalog is...NVD10UCDxxx:80(A)、NVD14UCDxxx:120(A)As can be seen from the results, these products are all larger than 50 (A), and the corresponding varieties of ③ can be used.However, the number of surges 104 times may contain uncertainties.If there is no problem with the placement, the design should leave enough margin.Select the φ14 product of the NVD14UCD type.The above is the general flow of selecting a varistor.I hope to provide a reference when you research varistor to cope with surges.
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Sensing current of DC/DC converter——KOA
Sensing current of DC/DC converterSensing current of DC/DC converterMicro processor requires larger current at lower voltage as the speed rises higher. A Desk Top Computer needs 40-60Amps, and even a notebook PC often demands more than 20Amps. Trends of resistor for current sensingResistance is decreased to measure an increased current. The resistance may be less than 2m.Some additional consideration is necessary for applications of such resistors.When the Resistance is very low,It becomes difficult to "sense the voltage precisely proportional to the current that flows through a resistor", which is a fundamental function of a resistor, when the switching frequency exceeds 100KHz(1)Minimize the inductance of resistor and PCB patternParasitic inductance on a resistor normally ranges around several nH and it is negligibly small for frequencies up to several 100KHz. But for an extremely low value resistor, minute inductance affects relatively large impedance to cause an error to the resistance.Example of the error by inductanceAn example is shown below. Parasitic inductance is assumed to be 1 nH in this figure.   Trimming disturbs the current flow    A resistor is trimmed to form a slit to adjust resistance.     This may cause a non-uniformity to the current flow, and may result in a heat spot. Local heating may aggravate the linearity of resistance vs. current.    (2)Resistivity should be uniform;     Not only a trimming line but voids at the junction with the resistor and the electrode might cause non-uniformity of current density.Tolerance of parasitic inductance might result in…An error in the measurement, while error compensation may be possible for a fixed value. Influence from inductance can be contained in some degree by the use of filter. But scatter in parasitic inductance will also result in scatter of detected current values. In the figures below, simulations of the scatter of detected current values are shown.   (3)Electric potential across electrodes must be consistent;    The ratio of resistivity of electrode to that of resistive material is as small as several dozens for ultra low resistance. When the electrode is not thick enough, it cannot keep equi-potential regardless of the non-uniformity of current density inside the resistor. This means depending on where in the electrode voltage is extracted, resistance value varies.Selection guide for current sensing resistor:From the above discussion, current sensing resistor for large current should be:(1) Minimum parasitic inductance and minimum tolerance(2) Uniform structure of resistor and electrode(3)Minimum potential difference across electrodeUniform the current flow inside the resistorAbove conditions are achieved by completely getting rid of factors spoiling uniformity. Metal plate type resistor TLR, is developed under this concept. 特点Ultra low resistances (0.5mΩ~), suitable for large current sensingUltra low height with a thickness of 0.6mm, suitable for useof small equipment.Excellent high-frequency characteristicsAutomatic mounting machines are applicable.Suitable for reflow soldering. (Not suitable for flow soldering)Products meet EU-RoHS requirements.  AEC-Q200 qualified. Actual structure of TLRThe structure of TLR is shown. It has a flat resistive metal plate with bulk electrodes on it. Trimming is given not by slitting but by shaving the width of the plate as to keep uniformity. Thus the TLR is suitable to sense the current of DC/DC converters.Additional comments:The following considerations are still more necessary:(1)Fluctuation of detection in multi-phase DC/DC converter(2)PCB pattern design including current and voltage pads(3)Heat dissipation(4)Filter to minimize sensing errors
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Low Ohm Resistors——KOA
High precision | Low inductance | Large current type Current Sense Shunt series -Various kinds of lineup!The first step of power management of electronic devices is to measure the current. To measure correctly and efficiently, you need to select suitable current sense resistors for your application. Once you read this page, you can soon find your answer among KOA products offering from thick film chip construction to metal plate construction shunt.KOA's Currnet Sense Shunt / Low Ohm Resistors【Power Rating and Resistance Distribution of Current Sense Shunt / Low Ohm Resistors】※Click each product series to find the details-------------------------------------------------------------------------------------------------Features of Current Sense Shunt / Low Ohm ResistorsMotor control up to 244A and large current sensing of DC-DC converters and battery management.PSJ2/PSL2/PSG4/PSF4*Under Development.Power rating 12W max. achieved. Both 2- and 4- terminal constructions in our new product lineup. PSG4 and PSF4, 4-terminal construction type, enables high precision performance by T.C.R.+/- 50x10-6/K.---------------------------------------------------------------------------------------------------Motor control up to 600A and extremely large current sensing of DC-DC converters and battery management.HS*Under DevelopmentHigh current sensing possible even at low resistance 0.1mΩ, by voltage detecting terminals. Custom configuration available by various way of attachment.----------------------------------------------------------------------------------------------------Excellent high frequency characteristicsTLR The manufacturing process of resistors includes "trimming" process where the partial resistive body is cut to adjust the resistance. This trimming process would not cause any problem in the normal circuit, while it does cause various problem in the high speed circuit under large current.TLR series adjusts the resistance without trimming.[TLR - Heat dissipation distribution]1.The distribution of heat dissipation is uniformed without cutting in the resistor, leading to effective heat dissipation.[Detected Waveform]2.Measuring errorsis corrected, caused by the inductance of the resistor itself.---------------------------------------------------------------------------------------------------High precision sensing of large currentPS  Same construction of TLR, good high frequency characteristics. The stress of heat cycle is improved by the original shape pf PSB. PSE series achieves high power up to 5W in small size. KOA's lowest resistance 0.2mΩ and max. 250A current sensing available.---------------------------------------------------------------------------------------------------High reliable resistors under high temperatureResistive body molded by flame retardant resin, strong to temperature change and endurance. The terminals apply metal plate, which offers terminal strength and solderability. Wide operating temperature range from -55°C to +180°C, suitable for electronic devices under automotive environment.---------------------------------------------------------------------------------------------------Various size and power ratings. Selectable like general-purpose flat chipSR73SR73 1H is small type chip resistors, size 0.6mm x 0.3mm. Mountable on high density mounting devices like mobile phones, PDC and HDD.Applicable to various scenes like remain level detection of secondary battery and overcurrent protection circuit.---------------------------------------------------------------------------------------------------Low resistance under 100mΩ and realizes high precisionUR73 Resistance: 10mΩ~100mΩ & TCR:±100 x 10-6/K. Tolerance: ±1% is standard for this high precision resistors.Works excellent in the circuits like battery charge circuit, requiring low resistance(10mΩ~) and high power( up to 1W).----------------------------------------------------------------------------------------------------Wide terminal type and high powerWK73  Resistance: 10mΩ~100mΩ & TCR:±100 x 10-6/K. Tolerance: ±1% is standard for this high precision resistors.Works excellent in the circuits like battery charge circuit, requiring low resistance(10mΩ~) and high power( up to 1W).---------------------------------------------------------------------------------------------------Wide terminal, low TCR & high powerWU73  Resistance 13mΩ or more and TCR±75 x 10-6/K is achieved. Wide terminals achieves high power in small size. Excellent heat cycle, and suitable for devices requiring reliability such as automotive purposes
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Heat Cycle Characteristics—KOA
Heat Cycle CharacteristicsFor automotive applications where high heat cycle characteristics are required, solder cracks may be critical for flat chip resistors especially for large size. Solder crack is a phenomenon that crack is caused in solder when the temperature cycle, the gap of linear expansion coefficient between circuit substrate and chip resistor, is given to the solder junction area and the stress focuses on the area. It will lead to bad solder connection.When it requires large rated power, large size chip resistor is generally used while the large the product size is, the more frequently the solder cracks are caused. To achieve both high power and the countermeasure to solder cracks, plural resistors of the smaller size and the lower rated power are used but it will require the more number of components and the mounting surface area.In that case, wide electrode type WK73S, of high rated power and heat cycle or molded type TSL・SL・SLN is recommended.Wide terminal surface area offers excellent heat radiation and achieves rated power. Wide terminal type with reversal height and width against standard type, has short distance between electrodes. and higher heat cycle resistance. The rated power is higher because of the excellent heat radiation and wide electrode surface area.                             General-Purpose Type                                    Wide Terminal Type                 Molded type has terminal construction as below which enables to ease the stress of solder junction under heat cycle.
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High Voltage Type Resistors
High Voltage Type ResistorsOne of the role of resistors in a circuit is detecting high voltage by voltage dividing. Rated voltage and maximum working voltage are specified for each resistor, which should not be exceeded when it is used. Plural resistors have to be used in serial to the high voltage side of voltage dividing resistor, which requires more numbers of mounting components and wider mounting area. In this case, HV73or RCR of high max. working resistors can be used to reduce the numbers of mounting components. Especially for HV73, with excellent voltage constant compared to general-purpose chip resistors, can divide the comparative high voltage at high precision.Generally, resistor does not show a certain resistance against voltage. When voltage is high, the resistance will slightly decrease. Voltage coefficient is the indicator showing the decreasing rate of resistance at high voltage against the resistance at low voltage. Measure the resistance at 10% and at 100% of rated voltage or max voltage per element(max. working voltage), whichever is lower, and express on percentage(%/V) or parts per million(ppm/V).
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Anti-pulse/Anti-surge resistors
Anti-pulse/Anti-surge resistorsResistors that tolerate against pulse or surge are required to be used such as; precharge resistors in the circuit where large current is instantaneously applied or, resistors in the circuit where ESD is more likely to be applied. Pulse means the overload of large power and with long duration(large energy) whereas surge means overload like ESD, of high voltage and with short duration.Anti-pulse resistors are unlikely to be damaged even if large power is instantaneously applied. Among SMD type resistors, thick film chip resistors(metal glaze film type) are generally stronger against pulse than metal film chip resistors. Thick film chip resistors with special construction like SG73, or SG73P are strong against pulse or surge. Metal plate chip resistors for current sensing apply metal plate for resistive body. This achieves the strong resistance against pulse or surge. Leaded type resistors, on the other hand, wirewound type resistors that wounds metal resistive wire around the insulator such as CW, CW-H,RW, BGR, BWR, are stronger against pulse than film type metal film resistors or carbon film resistors that have metal resistive film formed on the top of insulator. Solid type ceramics resistors that applies ceramics resistive body, are extremely strong against pulse. Anti-surge resistor means a resistor strong against instantaneous high voltage like ESD. SG73S ensures the ESD limiting voltage.Pulse Resistance Level by resistor type(image)
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Anti Sulfuration Flat Chip Resistors
Anti Sulfuration Flat Chip ResistorsSulfuration is a phenomenon that occurs in the resistor that applies silver for *inner electrode. Typical product where sulfuration is concerned is thick film chip resistor. When a resistor is used under atmosphere including sulfur, sulfur inserts between protective film and outer electrode, which leads to reaction with silver of inner electrode. This reaction is called sulfuration. Silver sulfide produced through this reaction has no conductivity therefore resistor gets disconnected.Mechanism of Sulfuration             Sulfur is included as sulfur gas near hot springs or volcanos but also produced through firing of raw oil. Some rubber products apply sulfur to increase the strengths. When you use the above chip resistors under such atmosphere or near the product, the resistor should be prepared e.g. resin-molded. KOA's product lineup includes anti-sulfur type resistors that apply non sulfur type inner electrodes and slow-sulfur type flat chip resistors that sulfur is unlikely to insert.※ "Inner electrode" is the electrode that is not disclosed to outside of resistor, and is applied in order to connect resistive element and outer electrode(which is for soldering on the pattern) electrically.Anti-Sulfur Type ResistorsThick Film Chip Resistors RK73B-RT(general-purpose)/RK73H-RT(precision type)/RK73Z-RT(jumper), RK73G-RT(Ultra precision)Anti-Surge/Anti-Pulse Resistors SG73-RT, SG73S-RT(Anti-surge)/SG73P-RT(Anti-pulse)Wide Terminal Chip Resistors WK73-RTLow Resistance Resistors   SR73-RTHigh Voltage Resistors HV73-RTHigh Voltage Resistors(Automotive type)   HV73V-RTChip Network Resistors CN-RT(concave type) / CN-KRT(convex type)[Reference]Plant/Industrial equipmentCar eletronicsMachine toolsMobile telecom stationSewage treatment plant Waste disposal plantServer/NetworksPublic infrastructure
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Heat Resistance/Moisture Resistance Thin Film Resistors
Heat Resistance/Moisture Resistance Thin Film ResistorsThin film resistors have excellent characteristics such as high precision or low current noise whereas they have problem of being used under high temperature and high humidity. RN73H, with the improved heat resistance and moisture resistance than conventional thin film resistors RN73, can be used under severe environment like automotive purposes.Heat ResistanceApplying excellent heat resistance material to resistive body, all the type of RN73H except a certain size, achieve higher rated power than RN73. By extending the rated ambient temperature and max. operating temperature(the upper limit of operating temperature range)on the derating curve, the products can be used with higher applicable power at high temperature.Calculation example of applicable power at ambient temperature 100°CRN73 1J   Rated Power: 0.063W×0.455(45.5%)=0.029WRN73H 1J  Rated Power: 0.1W×0.786(78.6%)=0.079W(2.72 times compared to RN73)Moisture Resistance Electric corrosion may be occured in thin film resistors when they are used under high moisture enviroment. RN73H with special protective coating, improved the moisture resistance compared to conventional products and electric corrosion or disconnection are unlikely to be happened. This product shows the excellent characteristics compared to the conventional type in moisture resistance load life test of severe automotive test conditions. Comparison of moisture resistance load life testTest MethodLimitRN7340°C±2°C、90% to 95%RH、1000hrs(1.5hrs ON/0.5 hrs OFF)±0.5%+0.05ΩRN73H85°C±2°C、85%±5%RH, 1000hrs(1.5hrs ON/0.5 hrs OFF)±0.1%+0.05Ω
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Whitepaper EncoderBlue goes reflective——iC-PR,iC-PX
Whitepaper EncoderBlue goes reflectiveWith the continuously increasing adoption of auto-mated machinery in various applications, positioning devices are becoming an essential part of many systems. For precise motor control, encoders are becoming the most popular solution.An encoder can operate on different principles, such as: optical, magnetic, mechanical, etc., providing incremental or absolute position data. An encoder may also provide multi-turn information when needed and all these possibilities result in a flexible product, offered in different sizes and suitable for all kinds of environments. Owing to this highly flexible nature of an encoder, together with the increasing use of automated machines, more and more applications are beginning to take advantage of position encoders.In order to better suit different applications and their specific requirements, new encoder technologies are constantly being developed and implemented. The reflective optical encoder with blue light is one example of such a new technology, and is being released by iC-Haus as the iC-PR and iC-PX Series integrated circuits.This article details the features and advantages of this new approach. Table of Contents1、 Fundamentals of optical encoders and new challenges     2、 Comparing transmissive and reflective optical encoders    3、 Reflective solutions                                    4、 IC-PR features and assembly tolerances                 5、 IC-PX features and assembly tolerances 6、 Advantages 7、 Applications 8、 Summary 9、 References Fundamentals of optical encoders and new challenges Ranging from industrial production lines to household appliances, automation is taking part in the design of most new products. In this context, linear and rotary encoders are the ultimate solution for accurate motor positioning, replacing aging components such as potentiometers, synchros, resolvers, etc.An encoder can operate on different principles, such as optical, magnetic, mechanical, and others. De-pending on the sensor type, an encoder provides incremental or absolute position data. The first one outputs only information about changes in position, usually in the form of AB quadrature pulses. These are interpreted as forward or backward steps by a counter processor. Incremental encoders typically use a once-per-revolution index signal to reference the start or reset of the counting position. Absolute encoders, on the other hand, deliver the complete position value, which is available at any time (the absolute position is known without requiring to pass through an index mark). Absolute encoders can also provide multi-turn information when needed, which gives the number of complete rotations of the encod-er.All these different operating modes result in a variety of products, offered in different sizes and suitable for all kinds of environments. With this highly flexible nature of the encoder, together with the increasing use of automated machines, more and more applica-tions are beginning to take advantage of the function-ality of position encoders for motion control.When comparing the different principles behind an encoder, optical encoders are regarded as the most precise ones. Each approach has its own benefits, with optical encoders usually providing the highest resolution and accuracy. However, optical encoders also come with their own disadvantages. Due to its optical nature, the sensor components are sensitive to dust, oil, and other obstacles that may interfere with the optical path. This is usually solved by a tightly sealed enclosure for the encoder. Another difficulty faced by high accuracy optical encoders is the influence of position errors, meaning that assem-bly tolerances are generally very small. This leads to a higher complexity in the manufacturing process of the encoder, requiring high accuracy assembly techniques to achieve proper signals. This problem alone impedes many companies from manufacturing encoders, since their manufacturing process cannot achieve the required level of precision.Another difficulty faced by some applications regard-ing optical encoders is the space required by the encoder. An optical encoder must have a protective case, and the internal structure required by traditional (transmissive) optical encoders result in a considera-ble height (Z dimension). This is due to the fact that the light source (LED), code disc and optical sensor must be optically aligned with a suitable distance between them. This requires an encoder height that prevents it from being adopted in some compact applications, such as miniaturized robotics.Even consumer products are entering the realm of fine positioning control with the introduction of household vacuuming robots, flying drones, and house automation (auto-adjustment of curtains, ventilation, etc.). The manufacturing of these products is executed on a large scale, and assembly variations must be accepted in order to have a high production efficiency. Additionally, the compact sizes of some of these products also prevent the adoption of large-dimension encoders, which are usually acceptable for industrial machines.The first solution to these requirements would be the use of magnetic encoders. Simple on-axis magnetic encoders can be easily manufactured and require very little space, thus representing a logical choice. However, as the resolution and accuracy require-ments of these applications also evolve, the magnetic encoders are faced with a technical limitation. Currently, on-axis magnetic encoders cannot reach very high resolutions and neither do they provide the highest accuracy unless more advanced techniques are used (for example: using external interpolators to increase the resolution of the system), which unfortu-nately results in higher costs. Additionally, magnetic encoders require more robust shielding against magnetic interference, which in some working environments can be very challenging.These new demands driven by the market have inspired the industry to search for ways to adapt the characteristics of the optical encoder, making it implementable under these new conditions.Comparing transmissive and reflective optical encodersTraditional optical encoders rely on transmissive optics, which is a mature and well-known technology for encoders. However, it also has its own inherent drawbacks, limiting its application in certain scenari-os. An alternative technology for encoders is based on reflective optics, which tries to improve on the features where transmissive encoders tend to fall short. Although transmissive and reflective encoders use the same basic principle – an optical sensor that receives light modulated by the movement of a coded disc – their physical structures differ considerably. The figure below represents the basic structure of a traditional transmissive encoder:Figure 1: Basic structure of transmissive optical encodersAs illustrated in Figure 1, the transmissive solution works fundamentally by using the code disc to create obstructions to the light path at some places while letting the light through at other places. The main requirement of the code disc is a precise division into transparent and non-transparent areas. This is usually achieved by a lithographic process, where a coating material (such as chrome) is deposited on top of a transparent substrate (such as glass). The quality of the disc is defined by the accuracy of the litho-graphic process, as well as the contrast between transparent and non-transparent areas.The advantage in this technique is that the lithograph-ic process is mature and can achieve very high accuracy, allowing a very fine code marking on the disc. This results in better signal quality for high resolution encoders.On the other hand, this structure also brings disad-vantages: in order to achieve good results, the illumination has to be as homogeneous as possible. This requires a parallel light beam that is achieved only by adding collimation lenses to the system. This optical structure considerably increases the axial length of the encoder, which is undesirable for many applications.Another disadvantage is that the accuracy with which the sensor must be positioned relative to the code disc is directly related to the density of the marking on the disc. If very precise lithography is used, the position of the sensor relative to the code disc must also be very precise, otherwise the quality of the signals will suffer considerably. This includes the XY displacement of the sensor, as well as the air gap between the sensor and the code disc (Z distance). If the marking on the code disc is very narrow, the light diffraction after going through the disc will have a bigger impact on the signal, therefore a very tight air gap between sensor and disc is required in order to receive good signals. For high-end encoders, assem-bly accuracy requirements are under 0.1 mm, which unfortunately is unfeasible for many manufacturers. Even for manufacturers that achieve such accuracy requirements for the end product, the assembly still requires a careful positioning calibration, usually conducted individually for each encoder using optical or electrical inspection and followed by a fine correc-tion of the generated signals. This process is very time consuming, limiting the efficiency of the manu-facturing process.The problems mentioned above can be tackled by using reflective optical encoders. The figure below depicts the structure of this kind of solution:Figure 2: Basic structure of reflective optical encodersThe most evident difference seen in Figure 2 com-pared to the transmissive solution, is the absence of the light source with collimation lenses opposite the sensor. A reflective encoder works by emitting light from the same side as the sensor (relative to the code disc), and selectively reflecting portions of the light to the sensor. In this case, the fundamental characteris-tic of the disc is the division between reflective and non-reflective areas (in contrast to the transpar-ent/non-transparent nature of the transmissive discs). As with the transmissive discs, the quality of the signals depends on the disc marking process (lithog-raphy) and the contrast between the divided areas (in this case, reflective/non-reflective).Reduced physical dimensions is a noticeably clear advantage of this solution. Without collimation optics, and with the LED light source on the same side as the sensor, the total volume of the encoder can be reduced substantially. This factor alone already enables the encoder to fit a wider range of applica-tions, compared to the transmissive solution. Com-pact optical encoders are possible, sharing many of the advantages of traditional optical encoders.The reflective encoder solution can have different variations. A typical example is the addition of plastic lenses on top of the sensor and LED to shape the light beam to have the desired properties. However, an even better solution is achieved using a lens-free design. Eliminating the external lenses completely can be accomplished and results in more flexibility and robustness: lenses need to be specifically designed for different applications, they limit consid-erably the operating distance range between the LED/Sensor and the disc, and at the same time add restrictions to the operating conditions, such as the allowed temperature range. Even without additional lenses, very high resolutions can be achieved by carefully controlling the light source spot size. With standard LED illumination, it is already possible to achieve medium-high resolutions with this approach.In this case, we see the most advantageous scenario: as long as the resolution is kept in a reasonable range, we have an optical encoder with very small dimensions, no external optics requirement, good resolution and accuracy (which can be easily en-hanced further with interpolation techniques), and very low assembly requirements.We can compare main characteristics of transmissive and reflective encoders:Transmissive Optical Encoder:Mature techniqueHigh resolution and high accuracySignificant height (Z dimension)Difficult assembly: small tolerances, mechanical stability during operationSmall code disc to sensor air gapGood resolution and accuracy:Easy assemblyLarge mechanical tolerancesFlat design: decreased heightLarge code disc to sensor air gapReflective solutionsThe reflective optical encoder principle has been known for some time. However, difficulties in achiev-ing good results in a convenient and easy to use integrated chip have limited its implementation to a few product lines from a small number of manufactur-ers.The recent introduction of the EncoderBlue® products (optical encoders with blue LED as light source) has proven useful also for the reflective encoder segment.The EncoderBlue® technology provides many ad-vantages, such as:higher efficiency (same optical power with less operating current),higher signal sharpness and contrast,less output signal jitter.The EncoderBlue® technology is already in use with transmissive optical encoders (such as the iC-PT H-Series and iC-PNH Series), but these properties can also considerably improve the signals in reflective encoders. Therefore, iC-Haus combined the ad-vantages of EncoderBlue® technology and the reflective encoder approach, releasing the all-new incremental optical encoder iC-PR Series and iC-PX Series.IC-PR features and assembly tolerancesThe first product carrying the reflective EncoderBlue® technique is the iC-PR Series. This is a lensless reflective optical design for an incremental encoder.ABZ digital quadrature outputs with up to 16-fold interpolation is possible. This interpolation is realized on-chip through pin configuration. There is the optional functionality of providing the analog signals at the output. The analog sine/cosine signals can be connected to an external interpolator for enhanced interpolation.As expected from an EncoderBlue® solution, the iC-PR encoder also integrates a blue LED to be used as the illumination source. This blue LED comes with all the previously mentioned advantages, and is driven by a closed-loop control circuit, which automatically adapts the LED current according to the amplitude of the signals generated by the sensor. This ensures a stable operation of the encoder, compensating variations such as LED efficiency deviations due to temperature or aging effects, or even mechanical variations such as the air gap between the chip and the code disc.The iC-PR Series is composed of different variants, each with HD Phased Array photosensors optimized for a specific code disc diameter and resolution. All the selectable functions are configured by pin, thus do not require time-consuming programming proce-dures.The main features of the iC-PR Series are listed below:ABZ quadrature output with indexNo optical lenseOptimized for reflective code discs of Ø 4, Ø 14, Ø 26 and Ø 43 mmMonolithic design: integrated HD Phased Array, signal conditioning, S/D conversion and LED power controlIntegrated blue LED with auto power control: EncoderBlue®The main features of the iC-PX Series are listed below:AB quadrature outputNo optical lensOptimized for reflective code discs of Ø 26 and Ø32 mmMonolithic design: integrated HD Phased Array,signal conditioning,S/D conversion and LED power controlIntegrated blue LED with auto power control:EncoderBlue®Digital output (pin selectable 1x to 16x interpolation)Operating temperature: – 40 °C to + 105 °CoptoDFN package 3 x 3 x 0.9 mmLow power consumption: typ. 13 mA (incl. LED)Due to the absence of an index mark, the mounting ofthe sensor relative to the code disc is even moreflexible. Figure 4 shows the typical assembly variationtolerances for the iC-PX Series.AdvantagesStandard package: This all-integrated solution isassembled in an optoQFN for the iC-PR (QFN dimensions with a glass window for the opto sensor) and optoDFN for the iC-PX, which eases the PCB design considerably. The footprint as well as the chip height is the same as other QFN/DFN standard ICs. This eliminates the hassle of creating design-specific PCB footprints, required by other reflective products in the market.                                                                                                                                Figure 5: Standard QFN/DFN footprint and dimensions for iC-PR and iC-PXHigh-temp and overall height: These reflective encoder ICs do not hinge on any lens or secondary optics and therefore reduces the overall height of the encoder housing. A plastic lens would not only increases the height of the system, but also limits the maximum operating temperature, usually to + 85 °C. With such lensless reflective technology, the maxi-mum operating temperature is + 105 °C, as often required by the industry.Wider air gap: Another limitation of a reflective solution with a lens is the air gap range. Due to the focal length of the lens, the gap tolerable range is narrow, usually ± 0.25 mm. This reflective technique unites a lensless design with an automatic LED power control, which together increase the permissi-ble air gap range to 1 to 3  mm, always with stable outputs.Higher quality signals: These reflective solutions also integrate a blue LED and HD Phased Array photodi-odes, optimized for different disc sizes. The blue LED together with the blue-enhanced HD Phased Array photodiodes generate sharper signals with higher contrast. This results in reduced output jitter, even after interpolation. The photodiodes are optimized for different code disc dimensions covering a wide range of diameters, even an ultra-compact 4 mm diameter disc. This optimization is especially important when using the analog outputs for external interpolation, as the quality of sine/cosine signals remains outstand-ing, allowing high-accuracy and high-resolution interpolation                                            Figure 6: Basic optical design and ray tracing model of a reflective encoder sensorEasy to use: The iC-PR and iC-PX Series are com-pletely pin configurable, avoiding the complexity of programming and calibration, and thus reducing the encoder manufacturing time. Together with the relaxed assembly tolerances, the overall efficiency of the encoder production line can be increased consid-erably.ApplicationsThe reflective encoders can be used in different applications, sometimes as a replacement for other types of encoders and in some cases in new applica-tions not yet served by current encoder technology.Most motion control devices with incremental posi-tioning detection can benefit of the iC-PR or iC-PX Series, but the main focus of the reflective encoders is on compact encoder applications, such as:Miniature motors and actuatorsIndustrial automation robotsConsumer robotsIncremental encodersSingle or multi-axis stagesSummaryThe level of automation is rapidly increasing in all areas, ranging from industry machinery to household appliances. This is creating new requirements for encoders, an essential device for motion control. In this context, reflective optical encoders represent a new technology that unites high performance and compact size.In particular, the reflective optical encoders by iC-Haus with EncoderBlue® technology offer not only small dimensions, but also robustness and superior assembly tolerances, all while providing excellent output signals.The iC-PR and iC-PX Series are easy to use and suitable for all kinds of incremental encoders without bringing complexity to the manufacturing process. This allows a broader range of products for precise motion control.References[1] Wikipedia: Rotary Encoder, https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_encoder[2] Absolute Encoder Design: Magnetic or Optical?, Whitepaper iC-Haus, http://www.ichaus.de/wp6_magnetic_vs_optical[3] iC-PR Series – Reflective Opto Encoders, Datasheet iC-Haus GmbH www.ichaus.de/PR_Series_datasheet_en[4] Basics of Rotary Encoders: Overview and New Technologies, http://machinedesign.com/sensors/basics-rotary-encoders-overview-and-new-technologies-0[5] Basler S. (2016) Encoder und Motor-Feedback-Systeme, Springer ViewegAbout iC-HausiC-Haus GmbH is a leading, independent German manufacturer of standard iCs (ASSP) and customized ASiC semiconductor solutions with worldwide repre-sentation. For more than 30 years the company has been active in the design, production, and sales of application-specific iCs for industrial, automotive, and medical applications.The iC-Haus cell libraries in CMOS, bipolar, and BCD technologies are specifically suited to realize the design of sensor, laser/opto, and actuator ASiCs, amongst others. The iCs are assembled in standard plastic packages or using the iC-Haus chip-on-board technology to manufacture complete microsystems, multichip modules, and optoBGA/QFN in conjunction with sensors.Further information is available at www.ichaus.com
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高度集成化电路趋势---无源器件内置 XR73
省空间方案——无源器件内置简介:随着科技的日益发展,无论是工业产品,还是各种消费类电子产品,对体积和空间的要求越来越严格。例如,世界第一台计算机的体积犹如一座小楼,而如今的计算机却可以做到如手掌的大小,人类文明的进步,造就了工业和技术的高速发展。同样在各种高速发展的科技信息行业中,集成电路发展有着急剧的变化,从lead引线元件到大规模的SMD,从简单的单层PCB发展到多层PCB通孔连接,从高功率大体积到低功耗小尺寸的变迁。而近些年来嵌入式电阻和电容的技术又走在了科技的前端,也将代表着下一个时代和未来的趋势。在此之前,人们已经发明了多层PCB板技术,其中核心的部分就是大家熟知的微过孔技术,其不同层的PCB布线通过激光通孔,附铜连接。在应用中,在一定程度上减小了PCB电路布线的面积,只留下元器件所需的空间和尺寸。而无源器件的内置技术,将更有可能改变电路设计的面貌。微过孔电路实现了更高的密度、更轻的重量和更好的性能,但电路板本身仍是许多导线的连接体。而采用无源器件内置技术后,电路板将变得完全不同于以往。其被动器件(如:电阻、电容)将会被集成在PCB内部,而外部不会留下任何无源器件,这样PCB的空间和尺寸会被压缩至最小!无源器件内置是一个相对较新的概念,目前诸多公司都在接触和研究这个新的技术,因而在国内市场上还未得到普遍应用,造成这个情况的制约因素主要有两点:1、国内目前未有整套完整的体系去验证该计划的可靠性以及稳定性。2、PCB厂家的生产加工技术,需要高精密的仪器和生产技术才能配合到嵌入式PCB的设计和开发。但就算是存在着诸多难点,为什么要内置它们呢?究其根本原因无非就是电路板表面空间紧张,客户产品在往小型化,高度集成化方向发展。在典型的生产装配中,占生产成本很小的元件部分可能会占据PCB大部分的空间,并且这个情况越来越严峻。因为我们设计的产品需要支持越来越多的功能,导致其项目设计中要支持更多的功能、更高的时钟速率和更低的电压,这就要求有更多的功率和更高的电流。同时还需要对电源分布系统进行很大的改进。这一切都需要有更多的无源器件(如:电阻、电容),而无源器件的增加,势必会占据相当大一部分PCB空间。无源器件内置的优势:      1、 节约了宝贵的电路板表面空间,缩小了电路板尺寸并减少了其重量和厚度。      2、 嵌入的方式由于消除了焊接点,因此减少了引入的电感量,从而降低了电源系统的阻抗,可靠性得到很大提高(焊接点是电路板上最容易引入故障的部分)。      3、 无源器件的嵌入将减短导线的长度,并且允许更紧凑的器件布局,从而提高电气性能。嵌入式电阻:目前市场环境中某些制作嵌入式电阻PCB的方式是采用双金属层结构——铜层与一个薄的镍合金层构成了电阻器元素,然后通过对铜和镍的蚀刻,形成具有铜端子的各种镍电阻,并且直接与布线相连接,然后这些电阻器被层压至电路板的内层中。该技术已经被应用于通讯设备中,如:卫星、基站。而在医疗电子设备、航空电子设备和电脑设备中也得到了应用。嵌入式电阻不仅可以节约空间、减少重量和尺寸。同时也可以提升电子性能。日本专业电阻生产商KOA在电阻行业有长达60年以上的生产和研发经验,对应着新型PCB工业的技术,当然也不会落后,其XR73系列电阻,可以完全内嵌于PCB设计的电路中,并拥有很好的公差和其他标准的电阻特性,XR73系列电阻为一个单独的抵抗体,较上述部分的嵌入式电阻方式,在阻值误差,温漂,以及一些噪声和各批次间的一致性身上有着独特的优势,因为XR73是个完整的个体,是采用标准的电阻生产技术来完成的,其温度控制和功率控制,以及阻值控制部分都存在着很大的灵活性,并且该系列嵌入式电阻的应用,可以在宽大的双面铜电极上直接进行微过孔连接PCB的布线,所以辅助PCB的印制,少了很多工序,可以直接层压到PCB中。如下为KOA XR73的基本框图以及相关的尺寸:                                可以从图中看出,其内部架构,保护膜,基本散热部分,电极部分都是十分的完整。并且其中有两个部分有着和突出的表现:1.     面积很广的双面电极。2.     非常低的厚度值,可达0.14mm.在嵌入式无源器件PCB中采用该系列的电阻应用有着如下的优势:1、高集成度。该系列应用通过三维可视化的安装方式较普通的SMD贴片有高精准性和稳定性的优势。2、高散热性。大家熟知,如果嵌入式电阻的温升过高,将会造成整块PCB的热量过大,后续不得不借助外围器件散热,而XR73系列在温升控制方面非常优秀,采用导热率高的树脂充当电阻外层的保护膜。          3、高可靠性:将电阻层压至PCB中,而PCB外层相当于电阻的物理环境保护膜,所以对电路的稳定性有很大的提升。     4、高优异抗弯曲性及抗震性。内嵌式电阻较大的弊端的一部分在于电阻一旦潜入在PCB内部,它的电极部分被固定,当热胀冷缩,和外部高强度机械应力弯曲电路板时,会对内嵌的电阻有个非常严峻的考验, XR73系列采用了相关的技术能够承受一定程度的弯曲和热胀冷缩考验,并且KOA内部的测试针对该项目的要求也十分严格,采用大批量的弯曲0mm~1mm,0mm~5mm规格,测试后电阻的误差必须控制在公差范围内。5、非常优秀连接性。 在上文中也提到过微过孔技术,内嵌式电阻再加上微过孔技术,不仅可以将电阻内嵌在PCB中,并且PCB还可以多层化,而这样就会更加节省空间。XR73系列最大亮点在于,它是双面电极,并且电极部分是由Cu制成,具有很强的抗震性,而这一特点有着非常显著的应用---那就是XR73系列可以在电阻的电极上实施微过孔技术的同时与多层PCB的连接。   总结:    其无源器件的嵌入式PCB,将会是一个趋势,目前国内诸多的电子产品和一些终端设备的研发和制造商,都非常关注这个领域,将其作为一个技术的贮备,不断的去探索。嵌入式PCB可能较普通PCB的生产成本会提高,但是其对设计的改进(更小的尺寸,更少的层数,更轻的重量),安装费用的节省(从双面安装变成单面安装),以及带来的性能提升都应该被考虑到。随着工艺的进步、产量的增加以及竞争方的合并,成本必然会下降,应用也将会更广泛。
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EncoderBlue goes reflective—— iC-PR Series
新产品:iC-PR 系列 蓝光反射式编码器       iC-PR系列是一个先进的光学,反射式,无透镜的编码器,具有集成的高密度相控阵光电传感器和一个蓝色LED。芯片提供高信号质量与宽松的装配公差。差分数字ABZ输出有或没有插值,或输出模拟SIN/COS带索引可选择使用。典型应用于电机控制的增量编码器。蓝色增强的光电传感器适应嵌入的短波长蓝色发光二极管,并提供低抖动输出由于提高了信号对比度。独特的蓝色发光二极管和传感器装配技术以致具有低光学串扰。 特征无透镜反射式光电编码器芯片,紧凑,高分辨率,增量合适的反射式编码盘Ø 4, Ø 14, Ø 26 和Ø 43 mm单片高密度相控阵列具有良好的信号匹配性能集成蓝色LED具有功率控制功能,EncoderBlue ®低噪声信号放大器具有高EMI容忍引脚可选操作模式:数字A / B / Z(x1,x2,x4、x8、x16的插值);模拟COS / SIN带用模拟或数字Z信号索引选通:不选通( 1 T ) ,B选通(0.T),AB选通(0.25 T )引脚可选择最小边缘距离:80 ns, 1 μs, 10 μs互补正交输出 PA, NA, PB 和 NB互补索引输出 PZ 和 NZ模拟信号输出便于装配对准和通过外部插补器提高分辨率工作温度范围:–40℃ ~105℃紧凑无透镜optoQFN封装(4 mm x 4 mm x 0.9 mm)可提供评估套件 应用增量编码器微型马达和执行器X-Y和线性应用工厂自动化机器人消费机器人
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17位绝对值磁编码器-MU1C离轴电机反馈模块
MU1C离轴电机反馈模块应用旋转编码器电机反馈运动控制 特性磁性离轴绝对位置编码器模块17位位置数据输出通过BiSS/SSI快速串行接口正交ABZ信号输出通过RS-422线驱动器iC-HF或Sin/Cos输出通过线驱动器iC-MSA可编程分辨率1到32,768 (FlexCount)位置预置功能旋转速度达12,000 RPM5V电源供电具有反极性保护工作温度范围 -40 °C 到80 °C评估板套件包括磁码盘MU2S 30-32N和线缆配置用户图形界面软件带自动校准功能 方框图
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iC-MU150离轴磁性游标编码器 - 极宽1.50 mm
iC-MU150特性集成霍尔传感器双轨道扫描霍尔传感器优化为1.50mm极宽(主码道)信号调节偏移、幅度和相位12位分辨率的正弦/数字实时转换(14位过滤)2轨道游标绝对值计算高达18位16、32或64极对测量距离使用两个iC-MU150增加测量距离与外部多圈系统同步从外部EEPROM使用多主机 I2C接口配置兼容的微控制器串行接口(SPI,BiSS,SSI)增量正交信号带索引(ABZ)FlexCount®:灵活的分辨率设置从1到65536CPR 应用旋转绝对值编码器线性绝对尺度单圈和多圈编码器电机反馈编码器无刷直流电机换向空心轴编码器封装:方框图方框图:
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High-Precision Sine/Cosine Interpolation
高精度-正弦/余弦插值细分法现有的驱动控制器需要配备有高分辨率的磁电或光电定位传感器以实现速度控制或者定位的功能。所使用的传感器需要专门配备集成电路,用于传感器信号的调节以及正弦/余弦信号向数字信号的转换。此份白皮书描述了"细分器"在正弦/余弦信号向数字信号转换(S/D转换)的方法以及相关技术挑战,其同样也讨论了与传感器相关的测量误差以及对其补偿措施,并展示了最新的芯片解决方案以及如何对其进行选择。目录:1.  正弦/余弦信号向数字信号的转换方法..........21.1 快闪型(Flash) 转换器.......................21.2 矢量跟踪转换器.............................31.3 采样保持型的SAR转换器......................41.4 持续采样A/D转换器..........................41.5 插值细分组件对比...........................52.  带有示例的测量误差.........................62.1  信号调节的概念............................93.   总结......................................134.   参考文献..................................13 白皮书正弦/余弦信号向数字信号的转换方法高精度的磁力或者光电传感器[1]可以将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦信号。其中使用细分器进行非线性的A/D转换,其用于将正弦/余弦信号转换为转角阶跃(参见图1),其可以用增量信号也被称为正交信号进行展示,也可以用绝对数值字段进行展示该字段所表达的正弦信号的相位角。图1:通过”细分器“的角度转换非线性转换函数通常使用反正切函数,这样相位角PHI可以直接从正弦和余弦电压中获得。多种A/D转换概念可应用于:快闪型转换器,例如iC-NV,使用了多个独立的比较器;矢量跟踪转换器,例如iC-NQC以及iC-MQF,其仅配备了几个比较器,用于对控制器在向上或者向下的方向上进行初次信号采集,然后对所输入的角度进行跟踪;SAR转换器,例如在iC-MR中提及的,在基本原理上与矢量跟踪转换器相似,但会保持输入信号直至获得相应的计数值;使用线性A/D转换器(例如:在iC-TW8中使用的)也可以进行角度计算,其中该A/D转换器可以分别将正弦和余弦信号进行数字化处理.  完全集成了磁电和光电感应的单芯片编码器,例如iC-MU或者iC-LNB,使用矢量跟踪转换器来实时提供位置数据[1,2]。1.1 快闪型(Flash) 转换器图2展示了一种带有多个独立比较器的快闪型转换器,在不同正切函数阈值时进行切换。至少一个比较器用于定义一位角解析度,也意味着对其配备的硬件要求非常高,所以需要使用很大的芯片面积–除非放弃精密电路。因此,这种形式适用于较低分辨率同时精度要求也并不是特别高的方案。 图2:快闪型转换器快闪型转换器有很多优点:其比较器可以并行工作并且几乎同时完成信号转换。由于在建立稳定的过程中会形成转换毛刺,因此使用了边沿距离控制的专利技术用于建立均衡。当连续边沿到来时,如果其间隔过近会推迟,则会产生一个可计数的输出信号-电路起到滤波器的作用,而且未受干扰的输入信号在通过时并不会产生延迟,也就是说该滤波器的作用不会产生任何延迟效果。快闪型转换不需要进行采样。因此,由于产生的正交信号不会和任何时钟信号同步,所以此信号带有“模拟的”抖动特征–这种特性对于速度控制非常适用。典型应用于光电或磁性电机编码器。1.2 矢量跟踪转换器矢量跟踪转换技术主要应用于进行更高的解析(参见图3)。其配备有一个初级比较器,该比较器用于控制计数器向上或向下计数。数字计数器将数值输入一个D/A转换器并生成模拟正切信号。该正切信号同余弦信号混合,并生成一个正弦信号-然后将正弦信号进行对比。图3:矢量跟踪转换 白皮书当系统稳定后,计数器包含相位角并且逐步长或者说逐比特位的记录每一个输入信号的变化。这个过程中不会产生阶跃。矢量跟踪转换器的优势是该系统的功能与时钟无关,系统仅在输入发生变化时才会被触发,这样可以缩短系统的延迟时间。由于该系统仅需要一个比较器,因此其设计可以做到更加精密。潜在的电路中的偏移误差会以同样的方式对所有切换点产生相同影响–可同迟滞现象比较–因此该系统在精度方面也具备一定优势。跟踪转换器输出递增信号时会产生相应的模拟抖动。当达到可调的最高跟踪速度的限制时,时钟同步影响才会显示出来,例如在输出信号时发生故障。基于实时以及高解析度的特性,该类型转换器被作为线性位置测量系统的首选。1.3 采样保持型的SAR转换器 对于不需要输出递增信号的绝对测量系统来说,图4所展示的采样转换器是一种合适的选择。SAR(逐次逼近) 转换器的工作原理同矢量跟踪转换器原理相似,不同的是逐次逼近寄存器可以更快取得相近的相位角,因为其步长可以更大且工作时不需要逐比特位进行跟踪。图4:采样保持型的SAR当受到外部数据请求触发时,系统通过采样保持电路对输入信号进行冻结。在该系统中,模拟信号的稳定时间主要决定了转换的速率和精度。此类型的转换器通常应用于电机控制系统以及逆变器等对于角度信号有较高解析度要求的系统中,其可以对模拟编码信号或者位置编码信号进行处理。1. 持续采样A/D转换器典型的方法:iC-TW8使用持续运行线性A/D转换器(图5)然后对相位角进行计算。该系统的优势在于数字信号处理:信号误差既可以通过一次性按动按钮进行初始化校准后消除,也可以持续的通过自动传感器漂移补偿进行校正。图5:采样A/D转换器信号滤波的使用使得解析度超过实际可用A/D转换器解析度成为可能。合成产生的增量输出信号的完美占空比为50%并且几乎没有抖动。但是,在系统控制时也需要考虑对由于信号处理所导致的几微秒的恒定延迟时间。该转换器主要应用于高解析度的线性测长仪以及受益于提供自动信号校正的旋转式编码器系统。插值细分组件对比 无须赘言,使用什么种类的转换器由其应用范围决定:选择跟踪转换器iC-NQC以及iC-MQF的原因是因为其具有实时的特性,最小延迟时间不超过250 ns,这通常通过模拟路径运行时间决定。对于采样转换器iC-MR和iC-TW8来说,测量数值时的稳定时间(参见表1)至关重要,其决定了可能实现的采样率。iC-MR可以在2微秒内使用13bit对角度位置进行解析,而连续运行转换器iC-TW8需要24微秒并采样6个样本用于更新位置数据。另一方面,如果速度是恒定的,iC-TW8可以通过可调的数字滤波器将现有的延迟期降低到4微秒内。和旋转变压器的处理一样普通,然而输出位置信息能在相当短的时间内追赶输入角度。表1:转换特性白皮书 除解析度外,同样需要考虑精度,转换器的精度不仅同A/D转换器的处理器质量相关,同时也与信号调节的范围值相关。每个针对信号路径进行修正的D/A转换器都需要预留芯片面积,相应的也会导致成本的增加-因此对于电路设计者来说需要进行优化设计。表2中器件比较显示iC-MQF转换器的解析度与iC-NQC的解析度相比要更低。不过,由于具有更精密的分隔信号调节,因此其精度更高。安全导向的编码器系统需要一些附加功能:iC-MR器件具有特殊的诊断功能,例如:信号和温度监控,内存检查以及错误模拟。对于控制器通讯,一个并行接口以及多个串行接口都可用。通过设置BiSS C上的位置数据输出,可以增加安全计数数据及扩展至16位CRC校验。表2:操作特性2.      带有示例的测量误差如有必要,需要对图6中示例指示的在磁环扫描过程中使用磁阻传感器导致的测量误差进行考虑。 图6:带有误差源的应用实例 白皮书 潜在的误差源可能是:不精确的磁化测量目标磁阻传感器偏移或者幅度导致的信号误差不精确的传感器位置对齐导致的正弦/余弦相位误差错误调节或调节不足导致的信号误差不精确转换导致的测量误差如果没有相应的抵消措施,会产生错误的插值细分结果,因此增量输出信号明显抖动较强。一方面机械角度变更导致的输出抖动是可以接受的,但是另一方面由于测量系统误差导致的抖动是无法接受的-令人遗憾的是,无法对这两者进行区分或者匹配。因此,对于潜在误差源的精确认识是非常重要的。角度计算公式表明了我们需要对哪些信号误差进行考虑:公式:通过反正切函数的角度计算 与其相关的误差源有:偏移电压,与理想相位差之间的偏差,正弦与余弦幅度之间的偏差,可能的谐波波形扭曲。因此,我们需要知道这些信号误差是否需要进行“调节”或者该误差可以被忽视。 三个案例估算对调节精度的要求:磁性,同轴,1CPR:0.1度(12位)精度:       要求信号误差磁性,离轴(32对磁极),64CPR:0.1度(12位)精度:       要求信号误差光电,离轴,2048CPR:20秒(16位)精度:       要求信号误差 白皮书 案例1:如果期望机械角度精度为0.1o(12位/每转)同轴霍尔传感器系统,每转提供一个正弦周期信号,那么可以推断出每个信号误差必须低于0.2%。尽管人工手动调节非常费时且对于现有的测量设备也是一个很大的挑战,但是仍然可以实现精度调节。调节工具参见:http://www.ichaus.de/tools适合的器件:iC-NQC,iC-TW8,iC-MR 案例2:使用磁阻传感器采样磁环时,可降低对插值细分深度和技术上信号精度的要求。尽管如此,更加精确的调节仍然需要依赖于测量目标磁化的精确程度。输入频率随着极数的增加而增加-由于插值细分倍数的减少,因此其对于矢量跟踪转换器来说也并不是问题。适合的器件:iC-TW2,iC-MQ,iC-NQC,iC-TW8。 案例3:关于光电编码器系统,例如2048正弦周期每转,应该进行更精确的解析,其对于信号调节的要求似乎并不是特别高。但是,通常光栅误差一般已达到最大允许测量误差,这样额外的信号调节误差就无法接受了(参见表3)。因此,由于较高的输入频率,对于细分电路的要求变得相当高。采样组件例如iC-MR是必需的。表3:与校准相关的角度误差 白皮书 2.1 信号调节的概念 为获得较好的细分结果,传感器信号需要进行调节[3]。器件iC-MQF及iC-MR应用于模拟前端(AFE,参见图7)用于信号调节,其通过多个D/A转换器进行调节。与之相对,iC-TW8使用自身调节数字信号校准。 用于信号调节的模拟前端(AFE)图7:用于信号调节的模拟前端精密仪表放大器提供了一个粗糙的放大信号用于信号适应,同时通过精细调节器平衡信号差异。进一步通过D/A转换器在前端进行偏移校正,其可以根据信号跟踪校正。前端可以测量信号中的DC部分或传感器供电作为参考信号。另外,电流控制器可以提供一个稳定的条件,例如通过为磁阻传感器供电或为光学系统中的LED供电。此处的优势在于,如果在室温下进行调节,校准精度不会随温度的变化而变化。 关键特征:集成的电流/电压转换器以及电压分配器已校正偏移的仪表放大器独立的可粗调或微调的放大因子通过跟踪偏移参考进行传感器漂移补偿通过调节传感器供电实现信号稳定(总计值或者李萨如图)白皮书 数字信号校正 在模拟路径中,iC-TW8仅具有粗放大和粗偏移调节器,以便使输入信号处于A/D转换器的最佳工作范围中。(参见图8)图8:带有A/D转换器的PGA 前端以及数字信号校正器相应的,仅有数字信号进行校正计算。可以通过一个精密的漂移监控器对出厂校准进行评估偏差,用于设置警报。角度位置通过CORDIC算法(坐标旋转数字计算法)进行计算。 关键特征: 可调的粗放大因子(6 到45dB,3dB每步)可调的模拟偏移校正(100mV每步)数字偏移以及偏移漂移校正(244μV每步)对幅度差的数字补偿(0.02%每步)数字相位校正(0.056o每步)概念优势两个概念都展示的优势:电源接通后,当系统处于停止状态时,模拟信号路径已校正稳定,因为传感器供电在校准时已调到最佳信号状态。在信号路径上没有额外的延迟时间,因此可以很快地获得细分结果。对于初始化出厂校准,可能需要配备自动的测量设备。数字校正利用现有的运动,要么通过最初定义的最合适的静态适应,要么在应用中对其动态漂移进行长期不断的补偿。校准的测试设备不是必须的,且可以通过自动方式或按动按钮进行现场重新校准。这有利于由客户自行安装的模块化系统。表4显示关于实现的补偿功能的器件对比白皮书 器件特征概览 iC-NQC 13位信号调节插值细分芯片 实时增量输出BiSS绝对接口具备周期计算BiSS从机BP1,SSI   iC-MQF 可编程带RS422驱动的12位正弦/余弦插值细分芯片实时十进制增量RS422故障保险传感器供电控制白皮书 iC-MR 带控制器接口的13位采样保持正弦/余弦插值细分器 BiSS或嵌入式单圈和多圈处理安全监控特性 关键特性: 快速采样保持细分:2us,精密信号调节,源控制输出(ACO),1Vpp线驱动输出,并行8位单片机接口,串行接口(BiSS/SSI,SPI),I2C,12位A/D转换器(温度感应)安全特性iC-TW8 带有自动校准16位正弦/余弦插值细分器自身校准单次/不断完美增量信号 关键特性:250ksps,16位,恒定延迟时间(24us),延迟恢复到4us(伺服环路),二进制/十进制0.25倍至16384倍,后置AB分配器[1/1到1/32],输入频率125kHz,A/B/Z 8MHz,最小边沿距离tMTD 31ns,自动偏移,放大,相位,按钮校准,通过LUT进行扭曲补偿,信号质量监测,使用引脚设置,I2;C,SPI,3.3V(15mA),5V白皮书 3.   总结使用不同方式对S/D转换器进行了展示,专门为插值细分,在选择最优解决方案时应考虑多个重要准则。本章的表格[4]包含最新芯片解决方案,也可以在线下载。4.参考文献[1] EncoderTechnologiesinComparison:Magneticvs.Optical,Elektronik10/2012[2] 18BitAbsolutEncoder-IC,ElektronikIndustrie03/2012[3] EasyConditioningandSafeTransferofSensorSignals,Elektronik Industrie4/2010[4] ProductSelector Interpolator IC 关于iC-HausiC-Haus GmbH是一家行业领先独立的德国制造商,为标准集成电路(ASSP)和定制ASIC半导体提供解决方案的全球代表。30多年来,公司一直致力于在工业,汽车,医疗应用的专用集成电路的设计,生产和销售。iC-Haus在CMOS技术,双极技术以及BCD技术方面的单元数据库专门用于设计实现传感器,激光/光学以及驱动器ASIC。集成电路组装在标准的塑料封装内,或使用iC-Haus板上芯片技术制造完整的微系统,多芯片模块,和连同传感器的optoBGA / QFN。更多信息请访问:http://www.ichauschina.comhttp://www.ichaus.com
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About Safer Cars FET Drive Applications
   根据IEC 61508和ISO 26262实现功能安全解决方案会影响整个工程过程从集成电路的设计到加工和质量管理。新的ISO 26262标准的目的是在汽车的每一个单一功能实现可比较的和独特的风险评估。本文概述了与微控制器平台及其周边的情况,还分析了功率FET的功能保护特点。     在汽车领域未来大多数的创新将围绕新的电子系统,例如电子转向(X-by-wire),制动辅助系统(BAS),电子差速锁(EDS)和完整的电力驱动(混合/电动汽车)。这又反过来增加了我们对电子装置功能安全的依赖,在混合动力汽车或电动汽车达到了新的高度。到现在为止,不断提高质量设法保持在一个高等级的可靠性–尽管越来越复杂的设计和大量的电子子系统内置到每个汽车。电子安全相关功能的使用,如转向,操作,和自动制动,要求这些过程的功能安全并且不造成损害,即使当一个简单的故障发生。2004年它成为必要的责任,因为IEC 61508适用于所有与安全相关的开发。特别是关于汽车工业,ISO 26262管理着功能安全,目前正在标准化并在未来两到三年生效。这个新的国际标准作为客观的文件, 在每一个车辆功能具有可比较的和独特的风险评估。  本质安全硬件  多年来,安全的ASIC /定制芯片设计的特点是ABS和安全气囊系统的要求,是最先进的技术。然而,如果我们看一看在汽车电子基于微控制器的平台,情况是非常不同的。图1是一个总框图显示在汽车中的一个电子控制单元。除了电池供电,单片机是中央单元处理本地的传感器信号,与其他子系统通信,并通过功率单元激活执行器。在安全控制器软件已经有了长足的进步,设计加工管理,和AUTOSAR汽车电子通信系统,汽车SPICE / CMMI和FlexRay。也有一些微控制器已经或即将进入市场,将能够满足ISO 26262的要求ASIL D(汽车安全完整性等级D)。至于硬件设计而言,这几个方面是目前的焦点:电压监控,传感器逻辑和功能的监控,传输路径,其次是功率单元的完美驱动。传感器可以被监测通过硬件和微控制器软件的逻辑。对于传输链接,合适的协议有助于可靠地识别并且可能纠正这些故障。功率输出级的设计是一个特殊的挑战,例如,在执行器的状态回读冗余可能极具成本约束。图1:汽车电子控制单元总体框图单片机和控制单元之间的接口  我们的目标是安全操作功率单元使用来自微控制器的输出信号。对日益复杂的微控制器趋向于具有较低和更低的功耗,导致了较低的电源电压,较低的核心电压,和较轻的I / O电压在输出低额定负荷。在复杂的微控制器, I / O 电压现在一般是1.8 V 到3.3 V。这抵消了不断增长功率单元的需求–也长期作为48V车载电源,旨在降低电流和电缆损耗。电子驱动,如转向或刹车,在发生故障时非常关键。这里,ISO 26262定义了四类风险(ASIL A至D),考虑到具体的安全要求和定义的最大允许的失效概率。要求通过技术解决方案,降低风险。具体而言,这意味着关键的故障必须被检测并主动预防故障。功率FET完美的激活是这样非常的重要。当然也适用于FET驱动器,这是单片机和功率输出之间的主要环节。当设计FET驱动器,非常重要包括所有的设计参数。下面是典型的: 1.错误监测(从输出端之间连接的GND或VCC缺失)2.驱动电源和启动特性(例如单片机I/O三态)3.需要逻辑电平转换(例如1.8–5 V至5 V或10 V)4.注意功耗,负载电流,和开关频率。  当评判一个驱动器的安全功能,主要关注的是第一级的故障检测和电路如何反应:1.由于印刷电路板或元器件的缺陷缺少接地2.电源电压缺失或波动3.两个输出连接/短路4.外部突发瞬变5.输出过载和超温图2:从FMEA摘录  本次评测将自动导致一个FMEA或失效模式影响分析。这样做的目的是为了系统地记录可能发生的事情和必要的测量,按照IEC61508和ISO26262实现功能安全。在驱动级应用FMEA   FMEA试图描述哪一个元件功能和潜在的故障或失效可能发生。失效的原因和影响进行了分析和评估,对整个产品和用户具有重要的意义。接下来的问题要回答的是如何可能会出现故障–以及如何检测和防止以避免任何进一步的损害。这些详细的分析记录,成为任何集成电路设计规划的一个组成部分。他们当然也集成在生产过程中,集成电路测试,和产品的质量保证。通过举例的方式,图2给出了一个广泛的FMEA用于FET驱动器的第一页资料。预防潜在的错误是首要的和最重要的,是在产品和之后的操作中具有可靠的检测。FMEA可用来确定潜在的关键错误,他们如何确定,以及如何避免其影响。这些信息直接影响到后续的IC设计。 FET驱动器功能安全的一个例子  这些具体的安全措施,通过从一个安全FET驱动器系列的IC模型举例详细解释。图3给出了一个NMOS逻辑FET驱动电路的原理图(例如,IRL44N),使用 iC-MFL作为一个驱动器。在发生错误的情况下IC必须防止NMOS逻辑FET通过一个逻辑信号激活。与所述第一级的故障,驱动器输出必须保持在一个安全的低电平。除了基本功能,电平转换(从1.8 V–3.3 V至5 V),功率FET输入驱动器,iC-MFL的设计保护措施,防止下列错误:1.IC缺少GND或VCC2.输入开路(例如电缆断裂或单片机I/O口三态)3.两个输出短路    最严重的情况是地或电源电压VCC的缺失,其中一般标准的FET驱动器不能保证在输出为安全低。除了传统的VCC或电源监控,接地监控能力也被包括在器件中。如果地的连接被中断,没有这些措施无明确潜在的比率可用于内部逻辑,外部FET通过从IC内部电路将被激活。该器件具有两个地(GND和GNDR)。   如果一个连接中断,监控识别故障并关闭输出级。如果VCC中断,输出也明确由一个值约30 KΩ的内部下拉电阻连接到地,从而切换到一个安全的操作模式。为了增加安全性,所有输入具有施密特触发级和下拉电流。在单片机的启动阶段,这期间所有的I/O端口三态,这些下拉电流保证了规定的FET驱动器的输入状态。FET驱动器输出是有效的推/拉电流源,其中拉侧连接到地比推侧强。如果外部两个输出短路,其中一个驱动高电平和另一个为低电平,芯片输出为低,并保证一个低的电平。输出具有防过压保护他们免受突发瞬变(18 V,100 ms)。   FMEA也可以在其他情况下使用,如PMOS-FET驱动电路,或其他输入和输出电压范围,实现相同的单一故障保护。为了NMOS-FETS和PMOS FET安全驱动,器件提供可调节输出电压范围5 V,10 V和满幅度电压。上面的例子只是说明了在工作过程中防止故障措施,并且由IC设计直接影响。图3:安全功率FET驱动电路前景   如图所示,实施功能安全系统根据IEC 61508和ISO 26262影响整个工程过程,从集成电路设计到加工和质量管理措施的展开。这将必然导致各部门作为一个团队在一起工作,为项目开发做出所需持久的和巨大的努力。相应的分析是必要的,在电子工业和其他子领域。    当然也适用于完整的系统级别,例如转向或制动系统。这是可以预期的,安全功能将日益成为在汽车行业和工业环境的标准。 
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Encoder Blue
iC-Haus 使编码器呈现在蓝光下使用蓝色 LED 实现一种创新飞跃的单芯片光电编码器iC-Haus 开发用于光学定位编码器的传感器芯片,该芯片搭载了专门针对蓝光设计的光电二极管。产品图片:Encoder blue 器件体积小巧的optoQFN 封装形式:下载文本及图片:http://www.ichaus.de/iC-Haus_Encoder_blue_newsrelease_cn  蓝光的较短波长以及较浅射入深度可以有效地提升增量式编码器和绝对式编码器的性能,例如:分辨率,信号幅度,谐波失真以及抖动性等。同其它波长较长的光线相比,蓝光在相同的间隙宽度下可以产生更小的衍射,因此可以产生更清晰的图像。     现代半导体工艺使加工更加精细的平面结构成为可能,其可以利用蓝光的射入深度浅的优 点提高效率。同时精细的结构也允许光电二极管使用交错布局,这样可以降低编码器正余 弦信号的偏移。同时对光敏感区域的高填充因数可以通过等效几何变换来实现。  蓝光LED是白光发射的基础,汽车工业和照明技术对于白光发射器都有着极高的需求。目前,具备较好恒温和长期稳定性的蓝光  LED已经可以使用,由于蓝光LED具备更高的产光率和更高的效率以及更优惠的价格,因此目前使用于编码器中的IR或者红光LED与蓝光LED相比,在一定程度上就显得相形见绌了。随着LED技术和CMOS技术的进展,光学定位传感器在这方面受益显着。iC-Haus 对自己生产的高分辨率iC-PTH系列的新型增量扫描器进行优化,尤其在蓝光方面。同时为该类型的单芯片编码器的集成平台注册了Encoder blue商标。  iC-PTH系列的新型编码器芯片将扫描优化和信号插值细分结合起来,集成在极小的可用空间:带窗口的5x5 mm2optoQFN封装。通过对光学芯片的相位阵结构进行优化,仅用扫描最小面积  1.9 mm x 3.1 mm 和一个直径仅26mm的码盘就可以生成每转10000个脉 冲。  蓝光可以降低噪音,提高信号对比度,同时可以通过提升效率减少光学系统的电流消耗。  该芯片可以输出带零位的低抖动编码正交信号,并通过4mA推挽式驱动器以单倍、 双倍或四倍细分分辨率进行精确的机械控制。同时,在电机换向控制中使用集成的附加三通道扫描,替换了常规的霍尔传感器。在这里,码盘定义换向信号,调整码盘就可以很容 易使信号与电机的极对数相适应。  零位信号宽度和细分解析度可以简单地通过芯片引脚进行选择。允许输出频率上限至1.6MHz,这样可以实现每转10000脉冲、电机转速达到约10000rpm的电机控制。可以激活模拟测试信号,以易于位置对齐和测试装配校准。  扫描面积小和高敏感度有助于减小编码器自身所需能耗,5V电源只需产生仅仅几毫安的操作电流。可以有效提升LED的寿命,特别是在电机处于较高运行温度的情况下,该IC-PT?芯片可以调节LED电流,同时对由于老化或者温度影响造成的变化进行补偿。 iC-Haus 提供带有塑料码盘、传感器芯片和可插拔的蓝光LED的评估套,可插拔蓝光LED 可用来与使用红外光源的信号质量进行直接比较,且对其优点进行判断。在进行系统设计时需要考虑使用较高的蓝光LED的正向电压,以及在编码器中使用的材料的稳定性。  Encoder blue正由知名的编码器生产商进行集中测试和认证,并且有望近期至少在高解 析度产品方面替代目前的红外LED和传感器芯片。欲了解更多信息,请登录 www.encoderblue.com 关于 iC-Haus iC-Haus GmbH 是一家行业领先独立的德国制造商,为客户提供标准集成电路(ASSP) 以及针对客户定制的专用集成电路ASIC 解决方案。30余年来全球范围内,iC-Haus 一直致力于工业、汽车以及医疗领域的特殊集成电路的应用开发。iC-Haus在CMOS 技术、双极技术以及BCD技术方面的单元数据库专门用于设计实现传感器、激光/光学以及驱 动器ASICs。   芯片装配有标准的塑料封装,或为了完整的微系统使用iC-Haus的板上芯片封装(COB)技术,多芯片模块,或搭载了传感器且使用  optoBGA 或optoQFN 的封装。更多信息请访问:http://www.ichauschina.com 更多问题请详询:Horst Huse电话:+49 8762 2850                          网站:   http://www.ichaus.biz传真:+49 8762 2805                          邮箱:   horst.huse@ichaus.biz 
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Highlight Product: iC-MB4
iC-MB4iC-MB4 is a BiSS interface master, compatible with encoders using BiSS or SSI interface. The complete communication protocol is controlled by iC-MB4, and the readout sensor data can be fetched by a microcontroller/DSP. Register communication and actuator communication are also integrated in a small 5x5 mm QFN28 package (TSSOP24 also available). The main features of iC-MB4 are:Supports BiSS-C, BiSS-B, SSI and SSI extended protocolsBidirectional BiSS communication (max. 8 slaves, data rates up to 10 Mbit/s)Interface with integrated transceivers: 2 channels (TTL or CMOS) or 1 channel (RS422 or LVDS)Automatic line delay compensationSPI or parallel interface to host (e.g. microcontroller or DSP)The sensor data readout operation can be triggered automatically (AGS) or externally through pin or command. The CRC verification of the readout data is executed automatically by iC-MB4, with an error signaling in case of failure. The iC works with a single 3V to 5V supply, and is suitable for all applications where position acquisition and configuration of BiSS devices are needed, like multi-sensor systems, position encoder controllers, motor feedback systems, robotics, etc. 
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Highlight Product: iC-MHM
iC-PViC-PV: Battery-Buffered 40-Bit Multiturn Hall Encoder.  Developed for gearless multiturn encoders, iC-PV is a low-power Hall sensor based solution, which can be easily powered by a battery. Small and cost-effective, its low-consumption (10 µA from 3.0 to 5.5 V supply) makes it ideal as an alternative to mechanical gear multiturn solutions. The main features of iC-PV are:Up to 40-bit revolution countingAutomatic switch to battery power when main power failsSerial interface for connection with multiturn-enabled devices (e.g.: iC-LGC, iC-MHM, iC-MN, iC-MU)Singleturn data input for devices without multiturn interface (e.g.: iC-LNB, iC-LNG)Error signalling (configuration error, magnetic field monitoring, supply voltage monitoring)    iC-PV can also operate as a low-power (battery powered) 3-bit singleturn encoder with parallel output. With a voltage supply of 3.0 to 5.5 V and operating temperature range of -40 to +125 °C, iC-PV is suitable for industrial application.
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iC-MHM
iC-MHMiC-MHM: 14-bit Magnetic BiSS/SSI Encoder iC with Multiturn Interface.iC-MHM is an absolute angle encoder, with a single-chip integrating Hall sensors, high resolution real-time sine-to-digital conversion, serial interface, multiturn interface as well as RS422 and LVDS transceivers, all integrated in a 5x5 mm QFN28 package. The main features of iC-MHM are:14-bit sine-to-digital conversion (0.02° angular resolution per 360° revolution)Integrated RS422 transceivers for BiSS/SSI communication up to 10 MHzAnalog Sin/Cos 1 Vpp differential outputUp to 46-bit resolution (32-bit multiturn + 14-bit singleturn)Error signallingiC-MHM can operate safely at 80,000 RPM with 12-bit singleturn resolution, and includes safety features like CRC proof output (up to 16-bit CRC), lifecounter and error messages in case of hall sensor errors, multiturn synchronisation problems, etc. The iC operated with 4.5 to 5.5 V power supply at a temperature range from -40 to +125 °C. The iC configuration data can be loaded from an EEPROM or through a microcontroller with SPI interface.
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Integrated optical encoder for BLDC motor feedback
集成光编码器用于BLDC 电机反馈  在工业大多数的电能损耗来自大型电机和固定速度的驱动系统。因此,能效运动控制系统应适应未来实际负载需求应用。BLDC电机满足这一要求通过电子换向和调速控制。电机磁极绕组换向在最佳的转子位置的是非常重要的,用于减少电损耗当使用可变转速和负载的情况。转子位置反馈可靠性是很重要的,对于运动控制系统的性能。它允许定子绕组精确的换相,最大限度地减少电机电损耗。通常在120°相移UVW 信号用于激活BLDC 电机驱动器的换向。不同的选项可产生UVW信号。这可以使用霍尔传感器或开关,可以组装在绕组中或安装在一个小的PCB 上面;计算软件基于反电动势数据从定子绕组;连接在电机轴上的光学或磁编码器;或先进的单片光学或磁编码器芯片集成电机外壳当中。霍尔传感器或开关广泛用于BLDC 电机,由于其低元件成本。这种方法需要有效的算法来计算UVW,从测得的反向电动势。同时快速微处理器或DSP 需要减少执行时间和减少额外的延迟时间。这种方法的局限,UVW信号的产生可以在快速负载变化,在低转速和在同步操作上观看到。硬件中检测转子的绝对位置被认为是最可靠的选择。连接在BLDC 电机上的光学或磁性编码器是有利的,当需要高精度动态定位,如果应用对成本不敏感。选择磁/光学电机编码霍尔传感器用于换向  在一个BLDC 电机使用三个分离的霍尔传感器/开关产生UVW信号基于传感器的安装位置,无论是在定子绕组,或组装在小PCB上,0°,120°和240°,位置相对转子永磁体。在某些情况下,一个磁极环连接到轴可以用。图1 的左边显示了三个霍尔传感器/开关的机械位置,用于UVW信号的产生。UVW信号定位精度与关的转子实际位置取决于安装公差与配合霍尔传感器/开关的灵敏度和稳定性。磁场变化很多,由于超温,转子速度和操作寿命(永磁老化),位置误差很容易累加+ / - 3°或更多。另一种方法使用四个集成霍尔传感器并且信号调理生成正弦/余弦信号,其中在360°转动角度位置是连续可用的。图1的右边显示了霍尔布置。一个小的永磁铁直径在4-6mm连接到转轴,通过集成霍尔桥采集产生循环变化信号。传感器装置允许产生一个差分正弦/余弦信号,对普通的磁场是不敏感的。正弦/余弦信号然后可以通过一个正弦-数字转换器转换为绝对位置值。这种插补通过计算正弦值除以余弦值的反正切。它提供了转子的绝对位置,可配置6~12位分辨率。图 1: BLDC电机位置检测的选择用于换向  现代混合信号集成的研究进展,让霍尔阵列加上所有的正弦/余弦信号调理和插值用于绝对位置,能够在一个编码器IC集成。代替三个分离的霍尔传感器/开关,一个单一的5x5mm封装可以组装在同一个PCB上(参图1)。该Z 信号标志转子的零位置,允许从ABZ信号以简单的方法计算电机的绝对位置,在电机控制和运动控制系统。从绝对位置也可以产生增量ABZ信号可用于监测快速位置变化,以非常低的延迟。图2显示了上/下AB信号编码,用于增量操作。当电机的方向反转AB信号改变其相移。该Z信号标志转子的零位置,允许从ABZ信号以简单的方法计算电机的绝对位置,在电机控制或运动控制系统。用正弦/余弦到UVW,插值单元的换向信号可以产生两个,四个或多个磁极电机类型。在这种情况下,每个换向信号偏移了66°相位。它可以直接控制BLDC驱动单元用于块换向。它也可以通过电机控制器用来产生正弦波换向。一个集成的单芯片磁编码器通常有多输出选项,用于电机控制器或高级运动控制器。但进展远落后于当前的需求。图2: 通过正弦/余弦产生UVW和ABZ提出了通过单芯片编码器集成单芯片编码器一体化的进展,使一个完整的“片上系统”具有多个输出选择用于BLDC 电机。图3显示了BLDC 电机反馈选项,以iC-MH8作为一个例子。在顶部的UVW 其他信号的输出选项设置,例如绝对位置通过SSI / BiSS接口,ABZ增量和模拟正弦/余弦信号。该芯片包括一个霍尔阵列,模拟信号调理,数字正弦/余弦插值,误差监控,自动增益控制,多编码器的输出格式,UVW电机换向输出,数字配置,线驱动能力,和片内编程。霍尔桥信号调理和放大通过PGA自动增益控制来补偿不同的操作条件,如温度,电源电压或磁场的变化由于温度或老化。图3: 绝对磁编码器电机控制带输出选项  芯片上的正弦/余弦信号放大到1 Vpp,并且通过一个差分模拟输出驱动器,用于外部监测或独立的插补。他们也被用于12位实时正弦数字转换器/插补器,以一个非常低时间延迟,小于1μS。12位提供了一个小于0.1°的分辨率。一个绝对位置可读出通过串行SSI(同步串行接口)或BiSS接口(双向同步串行接口)的运动控制器。一个开放标准的SSI / BISS提供高速串行接口,也用于生产线配置。如果需要,集成的RS422 线路驱动器支持长电缆到电机或运动控制器。ABZ信号以2MHz的频率更新并且延迟时间小于1μS。零位可编程256 步(114°)用于增量,192 步(118°)用于UVW接口。也很重要的是要有设置和调理模拟信号的能力。这需要一个高质量编码器输出信号。选择BLDC 电机换向磁极设置,可用于各种不同的电机设备类型。可调设置存储在编码器芯片的RAM并且能够编程到片内非易失性ROM 中,上电后可读。光集成也可能  磁性编码器芯片能够更好的用于非常苛刻,灰尘和严格的环境。然而光单片编码器芯片带换向输出通过光学系统集成同样变为可能。其性能更高一些,但对比表明,两种技术齐头并进。图4显示了两个单芯片光学编码器带增量和UVW输出。这里的分辨率定义是码盘确定的,并且使用三个光学传感器用于产生UVW。电机的极对数定义是码盘设计确定的。例如,四个光电二极管阵列可以提供高达20,000CPR用一个直径33.2mm的码盘。特殊的封装如optoQFN符合这个光学解决方案需要。现在的混合信号集成能力可以提供可靠、高度灵活单片编码器芯片,并且可配置磁编码器反馈选项具有12位分辨率。这与传统的霍尔传感器/开关系统相比较,具有高性能集成到电机壳体。在光学编码器带有集成的UVW输出选择,也是单芯片解决方案的发展趋势。这些趋势支持增强性能提高电机电子换向的能量效率,通过最好的电机反馈解决方案。图 4: 光学单芯片电机编码器芯片带UVW换向    
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IC-HAUS Driven Application Program
IC-HAUS 驱动中的应用方案-----------涉及到IC-HAUS电源管理iCs、编码器iCs、24V通信电缆驱动iCsIC-HAUS驱动中的应用方案在工业和自动控制领域为客户提供灵活的电源解决方案,而且供电系统的电压范围宽广。可以应用在工业传感器、旋转编码器、直线编码器等。论文在介绍IC-HAUS的驱动方案前先简介IC-HAUS电源管理iCs。一:IC-HAUS电源管理iCs IC-HAUS电源管理iCs总共有6个型号,可以分为三个类型:IC-DC,IC-JJ,IC-WD系列。IC-DC在方案中作为电源芯片IC-JJ的特点如下:供电电压VBAT范围6 to 16.5V。在输入电压不稳定的情况下能够稳定输出一定时间---自给功能。静态电流很小,30μA左右。兼容TTL-/CMOS输出模式。12V/30mA三态输出。欠压检测,单线串行总线,看门狗检测功能,ESD保护。 IC-WD系列的特点如下:输入电压范围8-36 VDC效率非常高的降压变换器内部集成了开关晶体管和续流二极管通过外部电阻调节截止电流;100 kHz内部自带集成的振荡器两路降压调节输出分别200mA/25mA输出电流非常低的纹波;ESD保护;温度范围在-40 to 85°C之间SO8和DFN10两种封装格式在PCB布线的时候需要极少的空间二:驱动中的应用方案如上图所表示的是DC/DC变换器iC-DC的应用。输入电压的范围是在4.5V到32V之间。VCC2给6通道增量光学编码器iC-LTA/iC-PT供电,VCC1给3通道差分线驱动器带集成阻抗匹配的器件iC-DL供电。这种供电方式使传感器件和电平传输器件之间做到了有效的隔离。iC-DL器件的过压和过温报警通过TNER引脚进入iC-DL。通过这种方式将iC-DC的错误信息和iC-DL的欠压和过温监测联系起来。NER管脚将提供两个芯片的错误信息。    图例电路利用了iC-DC本身固有的反向电极保护特性。ZD1, ZD2, D2 to D13 和 电阻 R3组成的保护电路可以防止任何形式的过压输出。工程师在设计这些保护电路的时候可以根据自己的经验,没有特定的要求。具体设计规格参照官网说明。输入电源通过电源管理IC内部的二极管接在IC-DL的管脚VBx上供电,十分方便。  iC-LTA/iC-PT是6通道增量光学编码器,可以应用在直流无刷电动机和工业驱动上。实测输出波形如下所示:可以看出波形对称性很好,波形效果十分理想。波形输入到24V通信电缆驱动IC-DL的输入口,IC-DL输出通过通信电缆输入到100米外的PLC。IC-DL的特点:6通道限流防短路推挽式的驱动3路差动通道的选择集成了30至140欧姆的电阻;供电电压范围很宽在4到40V之间。200mA输出电流;输出饱和电压很低;兼容TIA/EIA standard RS-422。总线输出三态开关;转化无延时上升斜率很高。内部施米特触发器,下拉电阻;TTL and CMOS电平兼容;防压高达40V。RS‐422(EIA RS‐422‐A Standard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS‐422使用差分信号,RS‐232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS‐232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。      RS‐485(EIA‐485标准)是RS‐422的改进,因为它增加了设备的个数,从10个增加到32个,同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性,以保证足够的信号电压。RS‐485是RS‐422的超集,因此所有的RS‐422设备可以被RS‐485控制。RS‐485可以用超过4000英尺(1200m)的线进行串行通行。      RS485是从RS422发展起来的,采用一对差分线A和B,还有一个使能信号可以使A和B处于高阻态。      RS485标准满足RS422规范,所以RS485驱动器可在RS422网络中应用。RS-485 的数据最高传输速率为10Mbps。但是由于RS-485 常常要与PC 机的RS-232口通信,所以实际上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率会使RS-485 传输距离减小,所以往往为9600bps 左右或以下。iC-DL的封装如下图:IC-DL可以监控VB、VCC和芯片温度;当出现错误的时候让所有的输出级都呈高阻状态,然后置低NER。除此之外,还可以监测VB1, VB2 和VB3的电压差,当绝对误差超过0.75 V时产生报错信号。 
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Using iC-haus interface chip microcontroller access to the industrial world
采用iC-haus接口芯片把微控制器接入工业世界工业应用采用嵌入式微控制器时需要特别关注现场恶劣的噪声环境。从供电电压低至+1.5V或者+3.3V到24V工业界,需要仔细设计和决策专门的解决方案来达到安全和稳定的工作。下面的文章描述不同的挑战和设计考虑以及可能的解决方案满足最大可能的功能安全和可靠性。 文章描述的内容如下:工业界 — 一个不同的世界有哪些设计挑战电平转换器和驱动器输出信号安全采用分立元件还是 ASSP I/O 接口处理24V输入信号噪声驱动激光二极管/LED哪些地方需要省电概要1)工业界 — 一个不同的世界 自从在1970年代发明微控制器以来微控制器趋向于更多的专用衍生和更多的功能和较低的技术门槛。集成更多功能,更大存储器以及低功耗。 对于一个给出的应用,每个人都在寻找“最佳的工作状态”达到最低的成本,最小的空间和最小的功率消耗。为达到这些需求而采用一个新的单片机而辩论。最后的结果是微控制器的供电电压持续降低,在某些情况下内核工作电压低至0.8V,I/O接口电压低至+1.5V。 然而,在工业应用领域,大多数供电和逻辑电平依旧是+24V。使用+24V供电和逻辑电平适应工业应用领域的噪声和恶劣的工作环境。由于这个原因,优秀的电子抗干扰性需要接口耐受高电流尖脉冲、磁干扰、静电放电等等。大多情况下微控制器和工业界的电流或者电压是一个10倍的关系。然而,我们要解决的是安培级或者是伏特级的问题,而不是毫安级或者毫伏级的问题。这就为硬件设计者提出了一个挑战,在两个领域隔离和转换信号电平。这意味着从转换低至1.5V的单片机逻辑电平到+24V的电压摆率在输出或者其他方向的输入。 使用微控制器在嵌入式应用,例如,加工控制、机器人、自动化设备等等。意味着在某种程度上仔细地设计接口,那就是可靠和考虑到安全工作。也有许多标准适用于某些方面的功能安全,例如IEC 61580和EN 60204-1。 2)有哪些设计挑战 就工业环境的本质,挑战每个设计的是下面的这些需求: 高电压摆率随着快速的dV/dt或者dI/dt转换引起的输入信号和输出信号的交叉干扰接地回路由于系统的分布参数而改变接地电平系统或者软件失效引起的激励端损坏(例如,功率输出级) 由于这些原因,在设计微控制器和+24V工业界之间的接口时下面的这几点需要考虑: 微控制器需要多高的电平转换给输出?微控制器需要多高的电平适应于其输入?针对硬件或者软件的故障如何保护输出级?数字的和/或模拟的连接需要什么样的滤波?工业I/O和微控制器之间需要强制的隔离?多大的功率上升和下降行为需要被考虑?哪些失效需要被监控以及如何监控?哪些地方是高功率消耗引起的热斑(例如,高电流或者高频率)? 3)电平转换器和驱动器输出信号安全   最初考虑的是着眼于微控制器的I/O端口逻辑电平,然后是明确输出需求的电流和电压。例如,驱动高电流阻性负载,像加热器或者执行机构,需要一个逻辑电平转换和功率三极管或者FET功率前置-驱动器。图1所示的例子是转换+1.8V供电的微控制器逻辑电平,通过前置-驱动器,控制一个高电流+24V FET。来自微控制器的逻辑电平,这个FET支持的切换负载电流大于10安培。图1所示的另一个选择是连接一个高边开关,例如,iC-DP,在36V供电时支持负载电流高达200毫安。  因为在上电时微控制器的I/O端口已经连接到输入,需要特别预防这里。为了避免在这个期间浮动的输入电平转换,如果下拉电阻没有集成到器件内部,需要连接附加的下拉电阻,例如iC-MFL。  另一个需要考虑的地方是输出端短路的失效-安全保护监测,监控VCC电压、地和芯片温度。在实际应用中,输出端失效将会引起损坏或者会伤害到使用者,或者损坏昂贵的设备,或许需要一个FMEA分析来满足安全标准(例如,IEC 61508)。  这需要在整个系统级、板级和芯片级做FMEA分析。对于此电平转换和前置-驱动器iC-MFL,FMEA安全电路已经集成到芯片级,而且包括第二个地连接和特殊的地监控。  对于iC-MFL,如果第一个地连接丢失(第一级失效),监控器清除所有的输出到一个定义好的低电平,关闭所有的输出功率级。或者微控制器通过一个低电平加到EN输入关闭这个电平转换器,同样的操作会执行,输入开路以及输出短路。图1:电平转换和驱动功率输出  iC-MFL的输出级设计成最大输出电压为+18V。其他类型的驱动器,像iC-MFN,可用来处理不同的输出电平并且可以直接供电从+24V到高达+40V。在许多嵌入式系统一些数量的输入和输出由于不同的机器配置可以不同以及在I/O端口需要一些不同的组合。 4)采用分立元件还是ASSP I/O 接口 ?   I/O模块化可以使用不同的方法。一个解决方案是板级方案,选择一个不同的I/O模块或者PCB,或者是在嵌入式电路板的芯片级方案。也可能是一个FPGA和分立元件组成的输入或输出级,或者使用专用的ASSP。这些特别的设计适用于灵活的和可编程的I/O配置。  在嵌入式机械或者机器人应用,传感器和执行机构有时候仅数米远。如果它们采用屏蔽双绞线电缆连接并且在中间接地,那么接地回路通常对输入/输出系统不会有问题。因此,在很多情况下,电隔离(例如,通过光电耦合器电流隔离)是不需要的。这对于系统设计者而言可以减少I/O端口的成本以及增加灵活性。  另一方面,数字I/O采用+24V逻辑电平被用来连接开关、数字传感器和在输入侧通过长电缆进行低速串行通信。+24输出也被用于驱动执行机构,例如,继电器、电磁线圈、电机和指示器,例如,灯泡或者LED。对于高速串行传输(例如,SSI/BiSS编码器)在一个高噪声的环境,RS422也通常被使用横跨超过100米的距离。为了达到可靠的工作,使用失效监控,在输入端特别考虑如下:I/O端口可能没有可靠连接检测开路、短路和连接断开提供滤波器抑制噪声、交叉干扰、尖峰或者机械开关跳动检测已定义的信号传输用来产生微控制器中断 在设计输出端时考虑同样重要,例如:耐受和检测短路,检测超温限制灯具产生的浪涌电流以及抑制线圈关闭时产生的电压尖峰支持脉冲输出用于闪烁或功率降低  切换负载使用高边开关输出是较多的首选方法,断开或者接地负载不能影响+24V系统供电。监控不同的电路失效,例如,+24V供电不足,一些丢失地线连接以及由驱动器超温引起的临界状态的应用。具有回读输出端口的选项,或者测量I/O端口的模拟电平用于更详细的诊断对达到功能安全是非常有用的。测量I/O接口模拟电平的方法也用于+24V输入端口。  许多数字功能需要组合的I/O端口,可以在FPGA里做这些端口,然而模拟功能、+24 I/O 以及错误监控需要使用分立元件实现。一个专用的、可编程的以及组合的+24V I/O解决方案如图2所示。这个例子是基于ASSP,它通过一个并行总线或者串行SPI接口连接到微控制器,几乎各种微控制器都可以这样使用。   在此应用中电源和地是需要隔离的,iC-JX可以通用一个隔离的(例如使用光电耦合器)SPI接口连接。由于使用了很少的隔离线缆,这是一个明显的成本优势方案。这种情况下,iC-JX的逻辑供电可以从+24V通过一个电压稳压器提供+3.3V,和+5V给数字和模拟电路。  iC-JX也提供所有I/O端口的回读功能。另外,集成的16通道10位A/D转换器支持端口观察,例如,观察+24V模拟输入用于诊断功能。 这些特性提供了功能安全、提高了在线维护能力以及失效检测。当采用一个遥控诊断功能时这会显著的减少维护成本。  对于电压调整器,iC-WD或者iC-DC可以产生两个输出电压用于小的I/O子系统,它结合了一个开关模式的DC/DC转换器和一个线性稳压器。这会减小模拟电路的纹波以及保持电源自身的低消耗。图2:紧凑的通用I/O和光学隔离  对于这个电路另外的安全性,如果一个错误状态在微控制器内部产生,一个外部看门狗电路也可以监控微控制器是否有效以及禁用所有的16个I/O端口。5)处理24V输入信号噪声   在输入信号噪声方面,数字的或者模拟的滤波器需要避免被微控制器错误的读入,对于数字信号,iC-JX输入具有内建迟滞数字滤波选项。模拟输入信号可以通过分立元件的滤波器或者内建的比较强滤波功能,例如,保持、迟滞或者RC电路。图3所示的是iC-HC的保持功能影响输入噪声。图3:集成滤波的输入噪声滤波功能此方案是典型的快速测量输入电平以及内建电平转换用于微控制器的输入。此供电电压和差分输入电压可以高达36V。省电方面,iC-HC比较器可以通过使能输入切换到“零功耗”模式。6)驱动激光二极管和LED   使用一个微控制器驱动激光二极管需要恒流源和尖峰释放开关来避免损坏昂贵的激光二极管。取决于电流和切换频率,不同标准的驱动器允许平均电流控制(ACC)和/或平均功率控制(APC)。图4所示的是集成解决方案iC-HG驱动三只激光二极管(或者LED阵列)带可调节的恒流功能。图4:驱动RGB激光二极管/LED高达1安培的电流  上图是典型的RGB光源应用于不同的工业领域,例如激光模块。当设计和测试快速激光驱动电路时,请看另一篇文章,“设计和测试快速激光驱动器电路”。7)哪些地方需要省电由于工业信号是高电压摆率,功率消耗就成为一个值得注意的问题。对于输出级,当转换频率升高时将会有超温现象出现。一个典型的例子是24V线驱动用于串行通信子系统。  一个可选的方案处理这个问题的方法是存储没有终端匹配的传输线反射的信号能量在电容里,并且使用这个能量为驱动器供电。这个方法可以节省高达50%的器件消耗能量,在转换频率小于250KHz时可以减少3个瓦特的器件热消耗。因此,增加了稳定性和减少了散热需求。iC-HX是一个24V线驱动器支持这个功能,仅需要增加一个电容。测试结果显在传输速率为200KHz时,iC-HX的外壳温度从100℃减小到70℃。  减小线驱动的功耗是一个省电的例子。因此,所有运行在高频率和高电流的系统的各个部分都应该仔细评估它们潜在的功率消耗(例如,使用低RDSONFET)。  驱动继电器和电磁阀也是一个特殊的情况,由于继电器(电磁阀)的吸合或者释放状态的特性决定的。考虑到这个特性,驱动继电器和电磁阀需要仔细考虑电路的级别。吸合时间在10-100毫秒时吸合电流需要大于两倍的工作电流,取决于继电器或者电磁阀的特性。超过吸合时间后电流可以减少至少三分之一。这可以采用分立元件的RC网络或者脉宽调制电路(PWM)。当可靠吸合之后改变占空比或者改变频率。PWM通过内建FPGA电路序列或者使用一个微控制器PWM输出或者使用一个ASSP器件解决这个需求。图5:集成驱动继电器(电磁阀)省电解决方案  如果也需要继电器或者电磁阀的监控功能,可以采用一个专用的ASSP。图5所示的iC-GE电路用于驱动继电器或者电磁阀,直接从36V供电,兼容典型的TTL输入电平。此器件仅需外接RHOLD和RACT电阻定义所需要的吸合和保持电流。这个集成解决方案实际上改变电流允许相同的继电器可以使用在不同供电电压的应用。为了达到这点,不同供电电压时,PWM输出的占空比和频率需要校准。  这个专用的ASSP解决方案也集成了箝位二极管和维修指示。它也监控线圈的电流、欠压和超温。如果一个错误发生,LED灯会闪烁,也可以用来作为一个中断给微控制器。如上所述,当驱动继电器和电磁阀时,减小器件的功率消耗是可能的。通过特别的考虑,一个板级的解决方案可在项目设计阶段解决。7)概要  如本文所述,当连接微控制器到工业界时有许多特殊的设计考虑。广泛的使用微控制器作为嵌入式解决方案用于汽车、电机以及机械控制系统。当要连接到工业界时设计者需要考虑特殊的需求。幸好,iC-Haus专用的工业ASSP解决方案解决了这些负担,以及解决了设计者在板级的许多问题。 
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Design and Test of Fast Laser Driver Circuits
设计和测试快速激光驱动器电路自从 Theodore H Maiman 在50年前发明激光器以来,激光被广泛应用到各种技术领域,例如通信,工业生产,以及传感器和测量设备。通信行业关注的是高达GHz范围的高速传输频率,工业生产主要关注的目标通常是高速的超短范围内纳秒级脉冲光功率。在传感器和测量应用的挑战是设计快速激光驱动器电路,这是一个非常苛求的任务。下面的文章描述激光驱动器电路设计,PCB布局和光学测量注意事项,以及设计一个脉冲宽度短到2.5ns的理想解决方案。目录集成激光驱动器解决方案快速激光驱动器电路设计注意事项布局要求测量激光脉冲4.1)从示波器到光学仪器4.2)从计算机到光学USB仪器设计检查概要1)集成激光驱动器解决方案 传统的激光二极管驱动器电路通常使用分立元件,用于低成本和低性能应用。集成激光驱动器的优势解决方案是: 1.       提高输出功率的稳定性(1%或优于1%)2.       减少板子空间(减少80%以上)3.       错误监控4.       较好的动态性能5.       提高了可靠性/MTBF 用于快速开关,集成驱动器是必须的,因为减小PCB分布电感和分布电容是允许更快速信号变化的主要方法。2)快速激光驱动器电路设计注意事项   用于测量和传感器领域的激光器光源通常是半导体二极管激光器,光学输出功率从几个微瓦到几百个毫瓦。集成电路可方便地和安全地控制半导体激光二极管,光谱覆盖整个可见光到红外光范围。最新研发的全类型集成激光驱动器解决方案支持开关频率高达155 MHz以及激光驱动电流高达300 mA。图1所示的原理图是iC-NZN的应用电路。它的工作电压从3.3V 到5.5V,可以去驱动N,M和P型激光二极管带或者不带监控二极管。 图1.全类型激光二极管驱动器电路  支持两种工作模式,自动功率控制(APC)和自动电流控制(ACC)。光学输出功率各自不同。驱动电流由电阻PMD/RMD设置,如上面图1所示。如果采用一个合适的PCB布局,脉冲宽度可以达到小于3.5ns以及脉冲上升沿和下降沿时长(tr/tf)为1.5ns(最大)。在这种情况下应该采用LVDS输入信号替代TTL电平来减少EMI。iC-NZN的特点是提供了一个低边输出(专门为N型激光二极管优化),iC-NZP的特点是提供了一个高边输出(专门为P型激光二极管优化)。为了保护激光二极管,特别是在APC模式,通过管脚VDDA的最大驱动电流可以由电阻RSI来限制。  对于更高功率的激光脉冲,例如电流开关iC-HG,提供一个集成的解决方案。它的特点是可提供6个带尖峰释放的电流开关,每个开关切换电流为500mA,而且这些开关可以并联起来达到3A DC 电流。脉冲宽度可以低至2.5ns,峰值电流可达9A。最大开关频率200MHz,上升和下降沿时长1ns(最大)。最大占空比取决功率耗散和iC-HG的散热情况。 图2:CW驱动电流可达3A,脉冲驱动可达9A的激光驱动电路   输入EN1和EN2使用LVDS模式带100欧姆线路终端电阻。激光器电源电压(最大12V)由两个低ESR钽电容缓冲以及使用两个瓷片电容进行RF滤波。iC-HG监控LVDS输入信号,如果幅度低于50%,会在管脚NER产生一个错误信号,电源电压和芯片温度也被监控。当欠压和过载时NER信号也会产生。每个通道的电流可以通过控制CIx的电压来设置。它也可以被用来做模拟调制。最大调制频率典型值2MHz,CIx的输入电容是调制频率的限制因素。3)布局要求对于非常短的激光脉冲,激光驱动模块的布局是挑剔的。由于快速开关的瞬态过程,当设计PCB时传输线路低电感是要记住的关键。图3a所示的是一个iC-HG高速驱动模块的例子,图3b是布局的细节。推荐布局指导方针如下:保持从驱动器到激光二极管的线路和回路尽可能的短(每个mm都要考虑);放置储能/旁路电容在驱动器IC电源和地线附近;选择低ESR电容(使用两个电容并联来减小ESR);分开AGNDx和GND大面积铺地(仅在公共地处连接);确保DFN封装的散热PAD的散热图3a:高速激光驱动模块 图3b:高速激光驱动模块布局 4)测量激光脉冲 4.1)从示波器到光学仪器为了激光二极管脉冲的光学测量,需要一台高速示波器和一个附加的高速光电接收器。此光电接收器应该在相关频谱范围具有高灵敏度以及尽可能宽的带宽,从DC到GHz范围,以便激光脉冲的幅度和快速脉冲的边沿同样可以被测量。图4a所示的是一个典型的光学测量装置,使用iC212高速光电接收器作为示波器的一个适配器。在这个例子里,使用一个大约12.5ns的40mW的激光脉冲发生器,脉冲幅度和上升沿时长可以使用示波器测量。示波器需要一个合适的高模拟带宽,工作频率也要到GHz范围。图4b所示的是光学脉冲响应。为了知道准确的激光脉冲形状,仅有一个电气测量激光电流是不够的。由于激光二极管的特性,测量结果会大不同。因此必须测量激光二极管的光学输出。这通常是通过使用一个扩展常规实验室设备用于电子测量。可能的方法有扩展常规示波器或者试验用PC来测量光学的激光光束。图4a:激光二极管模块测量装置                图4b:光电接收器iC212的激光脉冲使用iC212光电接收器                            测量结果 iC212是专门为此类测量而设计的光电接收器,它是第一个此类装置,结合一个带宽范围从直流到1.4 GHz的宽光谱灵敏度,波长从320至1000nm(见图5)。它可以测量连续波和脉冲光功率,瞬态低至280ps。图5:光电接收器频谱灵敏度  iC212在波长760nm处的增益因数是1.625V/mW。这允许光学功率测量低至子毫瓦范围。激光脉冲的上升沿和下降沿时长可以直接从示波器读出。然后光学功率可以由测量得到的幅度除以相关波长的灵敏度得出。图6:测量功率图6所示的示波器测量波长为635nm。灵敏度由图5得出,在635nm处,S=1.34V/mW。光学功率有下面的式子计算,其中,U是从示波器读出的幅度。Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW除了激光二极管和激光模块的光学测量,IC212也可用来测量玻璃纤维传输线,光学传输时间,照度或者激光系统的光学触发或者错误检测测试。4.2)从计算机到USB光学仪器  另一个选择是iC227数字示波器,通过USB连接到实验计算机。它是一个非常快速和精确的双通道8GHz顺序采样示波器,基于微控制器和高速ECL差分电路。微控制器经过隔离的全速USB接口通信,全速速率12 Mbits/s。顺序工作范围是由在触发和采样电路之间插入增量时延完成。ADC转换随着一个触发事件开始以10皮秒增量采样。图7所示的是iC227配置成 4 GHz双通道示波器的功能原理。连接到iC212的被测部件来构成一个完整的光学计算机仪器。iC227主要特性如下:8 GHz带宽触发输入带宽2 GHz时基范围25ps到100us垂直12位分辨率时基精度1.5%FS+/-10ps垂直精度随着CH1/CH2输入 3%FS最小触发频率10KHz垂直刻度10到1000 mV最大输入采样电压2Vpp,触发输入4Vpp图7:USB示波器功能原理 由采样原理可知,IC227仅采用重复信号工作。然后,需要一个数字脉冲发生器来完成测试装置。图8所示的是iC149脉冲发生器。它产生脉冲宽度从1到64ns,步长增量0.25ns。固定频率1MHz以及提供LVDS和TTL输出。管脚连接兼容iC-HG和iC-NZN/NZP评估板。图8:脉冲发生器管脚连接适用iC-HG/NZN/NZP评估板脉冲宽度可由两位二进制码旋转开关设置。举个例子说明,一个完整的测试装置如图9所示。  它由一个光学测试台组成,包括iC-NZN评估板和脉冲发生器iC149。接收器方iC212光电接收被用来和iC227一起工作,iC227带宽设置为8GHz,iC212光电接收器直接连接到通道1。”Input via Trigger“复选框必须保持未选。图9:光学测量采用计算机USB光学仪器iC212光电接收器输出直接连接到”SAMPLER IN1“”Input via Trigger“复选框必须保持未选。5)设计检查对于高速激光驱动器设计,推荐注重考虑以下项目:PCB板布局见以上第3项示波器带宽要充分考虑快速跃迁和过冲iC-HG在LDKx的过冲输出不应该超过最大值12ViC-NZN在LDK的过冲输出不应该超过15V,正常值为12V6)概要新一代基于iC-HG的激光驱动器电路能够产生高功率激光脉冲,脉宽低于3.5ns。为了在相关应用中能精确达到这个目标,需要优化PCB设计来减小分布电感。需要专用工具来测量光学输出的上升沿和下降沿时长。光电接收器iC212,脉冲发生器iC149和数字USB示波器iC227是这些测量设备新的选择。   
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Single-chip encoder to improve the performance of motion control applications
采用单芯片编码器提高运动控制应用的性能     典型的标准封装编码器是许多运动控制应用的反馈设备,但是提供给最终用户的许多配置是有限制的。一个替代和面向应用的方法是利用更高集成度的和智能化的传感器技术基于一个单芯片的编码器设计。这些提供了一个高度灵活的和可配置的选择,对于那些需要能够微调编码器输出而提高总体系统性能。 下面的白皮书描述了采用单芯片编码器方案提高运动控制系统的性能。目录:1) 提高运动控制应用的性能       P.32) 单芯片编码器设计方法       P.43) 单芯片编码器的类型和选项     P.64) 单芯片编码器提高性能的特性     P.85) 摘要               P.131)   提高运动控制应用的性能 在运动控制应用中,可提高运动反馈回路的性能来增强系统性能。旋转和线性编码器提供这个反馈来实时报告速度和位置。 例如,可以由下面的方式提高系统的运动控制性能:* 提高定位精度* 较高的运行速度* 提高系统效率* 提高可靠性和可重复性例如,可以由下面的方法实现这样的性能指标:*系统和部件装配校准*实时配置调整*减少机械公差*添加机械定位调整*预防性维修调整  虽然执行很多上面这些方法来提高系统的性能是可取的,但对于新的设计或者现有的设计不总是有可能的。而且,实现这些改变会影响系统设计的复杂性,可制造性,外形尺寸,成本和上市时间。然而,提高运动控制的反馈有助于提高系运动系统的性能,让我们详述一个编码器设计,可以减少这些因素或者完全消除它们2)单芯片编码器设计方法  考虑图1的标准电机配置。这是一个标准封装编码器被装到一个无刷直流电机来提供运动控制应用的位置反馈。一旦此电机配置被连接到驱动应用系统,会有机械和电子的调节局限。大部分情况下,这是可完全接受的,但是对那些需求较高性能的系统,必须要求更多的编码器配置控制来满足设计目标。图1:BLDC直流无刷电机连接独立封装编码器 注意:Comm 是换向信号,ABZ是增量输出信号,ABS是绝对位置输出  现在来介绍另一种单芯片编码器解决方案如图2所示。使用这个设计方法,一颗编码器芯片,使用一个现成的外壳解决方案。由于这个高集成度单芯片编码器芯片,只需要这个芯片本身再加上几个分立元件便达到所有的要求。此外,参考电路板设计和布局通常可从编码器IC制造商处得到。 如图2所示,独立封装编码器方案被单芯片编码器设计取代,这个例子是一个iC-MH磁编码器IC。采用此类型设计可通过一个数字接口来调整编码器的配置。 图2:直流无刷电机连接基于单芯片设计的编码器 注意::Comm 是换向信号,ABZ是增量输出信号,ABS是绝对位置输出Sin/Cos是模拟正弦和余弦输出,Config是编码器配置   如图中所示,编码器芯片感知电机轴旋转的方法是通过一个径向磁化的圆柱状磁铁。此磁铁安装到贯通的电机轴,允许直接检测电机的位置和速度。采用单芯片编码器设计有可能提供增量输出,正弦/余弦模拟输出[4],以及为配置和绝对位置数据读出的数字串行接口。 3)单芯片编码器的类型和选项   磁编码器和光学编码器如图3所示。正确选择其中之一会严重影响系统的性能。例如,选用磁编码器可以更好的适应恶劣环境,以及装配较简单,通常它的分辨率和精度低于可比的光学编码器。考虑图4的单芯片编码器选型指南。通过比较每个编码器IC的多个特性,这将有助于为应用找到最佳的解决方案。图3:单芯片磁编码器IC与磁铁以及单芯片光学编码器IC与LED和码盘图4:单芯片编码器选型指南输出格式:如图5所示,单芯片编码器如IC-LNG提供不同输出格式并且有很多是可以同时使用的图5:iC-LNG光学绝对编码器IC展示许多可用的编码器输出格式   对于某些编码器器件,例如iC-MH8,有一个源码开放的串行接口BiSS,它允许高速串行接口读取配置和绝对位置。有关更多的BiSS信息在BiSS的网站上可以找到。[1]4)单芯片编码器提高性能的特性   如图7所示,其中一些特性包括模拟信号调理,数字正弦/余弦细分,错误监视,自动增益控制,多种编码器输出格式,BLDC电机换向信号输出,数字配置,线驱动能力以及在系统编程性。图7:iC-MH8磁编码器IC方框图       这些配置可以通过串行接口编程,很多编码器IC提供一个计算机图形用户界面工具允许简单和实时的交互编程此器件。一个计算机适配器用来做电路板上的编码器IC的接口,然后这个适配器通过USB连接到计算机。这个计算机图形用户界面如图8所示。      选择BLDC电机换向极性设置允许此编码器设备适用于各种BLDC电机。所有的这些可调节设置存储到编码器芯片内部RAM,也可编程到片上非易失性PROM,允许这些设置在上电时读取使用。图8:iC-MH磁编码器计算机配置图形用户界面   除了可配置特性之外,让我们考虑以下这些会有助于提高运动控制应用的系统性能特性。 分辨率 回顾图1和图2所示的设计,如果这个编码器输出是100 CPR(每旋转正交循环次数)或者400正交沿,将其改变到一个较高的值如1000 CPR 或者4000正交沿,分辨率增加10倍。运动控制系统的角度分辨率从0.9度每旋转提高到0.09度每旋转。有一点需要注意的是运动控制器处理带宽和响应时间[3]。当10倍以上的脉冲加到控制器或者嵌入式微处理器,硬件和软件设计必须保证在中断和数据处理能响应这个增长。 在很多情况下,调节分辨率需要置换编码器器件本身,然而,没有几个可选的磁和光学编码器可以用数字方式调节分辨率而无需改变编码器IC或者源磁铁/码盘。例如,iC-LNB光学编码器IC内建一个FlexCount模块,这个模块允许改变分辨率到任何要求的CPR,从1至65,536 CPR无需改变自身的码盘。 外形尺寸   单芯片编码器提供了一个非常小的外形尺寸。小的封装尺寸允许编码器的电路板非常紧凑,可以在狭小的空间使用。这就可能允许一个编码器解决方案使用到之前一个不能使用到的地方。 编码器传感器输入   编码器输入的好坏决定它的输出,一个提高性能的简单方法是改善编码器的输入来实现。对于磁编码器IC,这个可能是选择更高质量的某种形式的磁铁,减小磁铁到编码器芯片之间的气隙以及优化机械同心度设计。对于光学编码器IC,这可能是选择更高质量的某种形式的LED,同样的也要减小气隙和优化机械设计。通过这样做来提高编码器反馈来提高控制系统性能。 精度校准   虽然机械调整是一个可选方法之外,利用单芯片编码器通过一个串行接口配置它的内部参数提供了一个更为精确的编码器校准方案。  如图9所示,SinCosYzer是一个数据采集系统。通过输入编码器的正弦和余弦信号,许多不同的测量值被显示用来帮助校准。李育莎曲线,误差曲线以及以位和度表示的精度。由于这些设置是实时显示的,可无休止的调整,只需要通过编码器芯片计算机图形用户界面来完成,如图8所示,通过内部信号幅度调理,偏置调理乃至相位调理编码器的正弦和余弦信号的方法改变编码器的内部配置。 图9:SinCosYzer 编码器校准工具 编码器信号位置调整   调整编码器的零位信号提供另一种提高系统性能的方法。如图10所示,iC-MH磁编码器的索引或Z位置可以数字化的在1.4度的步长内调整。U脉冲的电机换向零位置或者上升沿也可以在1.4度的步长内调整。这提供了一个在应用中灵活定义原位置的方法。不像霍尔传感器感知BLDC电机磁极的位置是在一个固定的地方,单芯片编码器可以产生这些电机换向信号然后允许微调它们来增强驱动电机自身的性能。图10:iC-MH ABZ和BLDC UVW电机换向信号 5)摘要 和标准封型编码器相比,单芯片编码器IC提供了一个高度灵活和高度可配置的编码器方案。此外,基于单芯片编码器设计,具备了通过一个数字接口调节编码器配置的能力。通过进一步增强运动控制反馈来提高整个系统的性能。 
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Absolute position encoder design: magnetic encoder or optical encoder
绝对值编码器设计:是选磁编码器还是光学编码器  磁位置编码器的角度分辨率和精确度与径向的磁铁扫描霍尔传感器的中心有关,受限于可行的插补细分深度和有效的磁场质量。通过每旋转扫描多个正弦周期,光学位置编码器具有更高的分辨率。如果使用磁码盘,这种方法也适用于磁编码器系统,但是哪个系统更好?  本文描述磁和光学单芯片编码器的关键参数,权衡两种解决方案和比较两种编码器的性能来达到选择设计方案的目的。                   目录介绍两种传感器,两种系统线性应用比较两种旋转编码器应用系统4.1)装配公差和补偿特性4.2)可能的误差来源  5.结论:哪个更好?                                           1)介绍   如今的绝对位置传感器的制造需求与测量精度以及尺寸大小均和成本有关,而且往往及其多样化。好的选择是找到仅有的一个恰当的系统解决方案来适应手头的任务。所要解决的问题是耗时的,由于不仅是传感器的机械结构,而且每个没有体现在元件规格书里的的参数也要考虑进来。另外,开发集成传感器芯片必须基于一个给定的测量装置,或者提供合适可能的匹配。  光学扫描器通常使用单独封装,方便对光电二极管阵列进行几何修改。然而,对于磁的霍尔编码器不具有可比的有效选项,为此不得不提供一个合适的传感器阵列在芯片内部,或者采用其他方法,由芯片布局决定磁铁的指标。小的外形尺寸和最佳性能通常是这两种解决方案都具有挑战性的设计目标。本文比较一个16管脚DFN封装的18位磁单芯片霍尔编码器iC-MU和一个optoQFN封装的18位光学编码器iC-LNB。2)两种传感器两种系统  多通道光电子扫描器iC-LNB捕获绝对位置数据用于线性位移测量系统或者旋转编码器(图1)。同步扫描一个10位二进制码,附加一个模拟的信号轨道用来评估实时的插补细分,使用一个小的编码量来达到高的角度分辨率。期望得到的绝对值位置和增量位置分辨率使用内部的"FlexCount"算法得出,提供1至65536范围内任意脉冲数量的分辨率供选择。                                           图1.光扫描器iC-LNB  编码窗口宽度仅5.2mm,支持使用较小的码盘或者较大直径的空心轴。伴随着节能的iC-SN85 LED来担当一个紧凑的光源和iC-LNB的监视器,以及控制照度的级别。关键的逻辑处理也由iC-LNB内部执行,而更复杂的任务也可由一个外部的微控制器执行。  偏置和幅度补偿功能已被集成到芯片内部,用于修正模拟轨道信号,这些信号也由差分的1024个周期的正弦和余弦信号通过四个输出端口输出。由信号矫正电路来降低插补细分的误差并获得更高的位置数据精度。 位置数据输出可以是并行的(高达16位)或者是串行的(使用一个快速移位寄存器)。时钟速率高达16MHz,允许循环读出时间小于1us。3.3V兼容的SPI端口支持器件设置和用来扫描位置数据以及诊断消息(例如,当奇偶校验位打开,存储监视标志一个错误)。最大允许速度依赖于分辨率;当17位分辨率时可获得6000rpm(表1)。                    表1:元件电气参数  霍尔编码器iC-MU是一个全集成的单芯片器件,是理想的磁码盘、磁鼓和磁带扫描器,适用于运控控制应用。典型应用包括绝对位置编码器、增量编码器以及用于无刷电机的换向编码器(图2)。位置数据被实时捕获并由串行接口(BiSS,SSI以及SPI)和一个增量接口两同时输出。任意数量的分辨率脉冲数可以使用内部"FlexCount"算法再次选择。   采用合适的磁测量机构,设有两个增量轨道,极宽大约1.28mm,每个磁极对是差分的,由另一个磁极对交叉穿过测量间隔。两个同步的正弦-数字转换器用来数字化霍尔传感器信号;这些矢量跟踪转换器跟踪磁场变化率达8 MSPS,无延时。   由两个轨道信号之间的相位差,集成的掩膜-已编程信号处理器计算绝对位置基于游标原理。使用这个原理,运动控制不必要获得绝对位置。在旋转应用中,可获得一个19位的分辨率(相当于2.5弧度秒),当使用磁码盘 MU2S 30-32时,以及支持的速度高达12000 rpm。   通过安排磁极对在一个高分子磁铁上面的一个扁平码盘,可建立一个紧凑的系统,它可以理想的直接安装到电机的法兰上。扫描工作距离于芯片平面大约0.4mm。   设计于一个16脚的DFN封装,iC-MU集成全部的所需编码器功能在最小可能的空间,仅5*5mm。偏心或者偏轴放置支持空心轴用于高分辨率的磁绝对值编码器。适合的磁码盘直径为30mm,支持空心轴直径高达10mm。                                  图2:磁传感器芯片和磁码盘   通过设置细分因数从1到65536,数字角度位置可以从ABZ接口以任何分辨率输出。由于内部的"FlexCount"算法,整个范围的分辨率参数仅使用一只传感器就可以满足。这允许一个设计适合各种编码器分辨率而无需改变测量装置。完全安装好编码器的位置以后也可以编程,以最少的时间交付上市。而且,零位置信号也可以在装配好以后再编程。   iC-MU可以产生3个换向信号(U、V和W)来运转无刷直流电机,适合电机极对从1到16。由于精确的电子调节UVW信号可以按照转子的位置改变而提供了一个关键的优势,使得不再需要通常使用的霍尔开关系统。   由于可以支持空心轴应用,可以使用一个兼容的装配替换旋转变压器。作为整个系统的一部分,这将导致一个更便宜的旋转变压器替换解决方案产生,随着它的高分辨率,支持更精确的电机控制。   SPI接口可以直接连接到一个微控制器,BiSS用于双向通信和CRC校验的超长距离通信,以及SSI是一个标准的编码器接口。所有的接口允许时钟频率高达10MHz。   关于数据输入,iC-MU在BiSS协议下支持多从机应用链式连接,使用同步时钟连接多个编码器来捕获数据。如果一个相关编码器已连接并设置和开始工作,绝对精度有可能在最高速度时记录、评估以及由一个微控制器校正,这个微控制器可允许在系统中担当一个交互的输出接口。3)线性应用  iC-MU支持40,80,或者160mm距离的绝对线性测量,位置分辨率大约160nm。两个器件可被级联用于更大的距离,使得最大可能的测量绝对距离延长,由2到64的一个因数确定(图3)。这使得绝对距离测量系统可以达到数米,测量速度高达16m/s。                      图3:元件级联用于线性测量系统和大空心轴应用   例如,决定图3的多圈设计绝对位置测量来自于中间轨道的1024个循环和上面轨道的1023个循环。相位差由横跨整个2.6米的测量长度决定。下面的这颗iC-MU(1)在中间轨道的1024个循环和下面轨道的992个循环之间计算相位差。此装置因此重复产生32次位置数据,横跨整个测量长度。 多圈数据来自于iC-MU(2),用来区分这32个段。   此外,级联两个iC-MU霍尔编码器,其他多圈传感器(齿轮箱)也可以用来提供它的多圈数据给iC-MU。一旦供给电源,多圈数据自动读取,并且在计量模式期间周期性检查。4)比较两种旋转编码器应用系统   两种编码器的传感器结构已经确定,支持小尺寸和成本敏感的产品而没有牺牲任何测量精度(图4)。尽管这两种器件采用不同的电路设计方法,它们同享类似的性能特性(表1);支持任意可编程脉冲数的实时高绝对值和增量信号分辨率。 图4:装配原理和尺寸比较  当选择基本的系统布局时其他决定因素也必须考虑进去,例如应用领域和测量精度要求。表2比较了主要的传感器规格参数。 表2:光和磁传感器的特征比较  随着完美的电子处理测量系统,磁码盘的磁极间距误差是绝对测量误差的显现来源。例如,一个典型的磁精度是15um,而光学码盘的线精度是300nm,差别是显而易见的。借助于扫描半径(表3),这个值可以被转换成角度误差;在理论上,磁编码器系统大约为0.07°(252弧度秒)以及光编码器系统大约为0.0018°(6.4弧度秒)。光学系统其它的主要误差来源总计为0.011°(40弧度秒)。   用户选择一个特定的系统主要依据这个系统的优点和缺点。例如,磁编码器系统具有多种优势的环境免疫力,诸如,灰尘、油污以及水汽。它也允许一个宽的工作距离,允许轴向间隙和安装公差较大而容易装配。由于磁编码器系统无需LED和光学器件,一个扁平的编码器设计成为可能,   对于芯片设计者,当开发电路时传感器的信号扮演着一个主要的角色。光学传感器读取轴角由光学码盘产生的光分布和强度决定。好的信号对比度必须避免成像错误。为了战胜这个,特殊的编码器LED提供均匀性的平行光,iC-SN85是一个合适的LED。它支持大约200nA的光电流产生,在传输阻抗为1MΩ时产生的信号电压为200mV。   对于磁传感器,磁场分量垂直于芯片是有益的。霍尔效应直接提供一个典型的mV级电压,依赖于磁场强度分量Z。由于单个霍尔元件仅能感知到磁铁的距离,而采用多个霍尔元件在不同位置记录磁场的Z分量以便角度信息可由各个局部的磁场渐变得出评估。霍尔元件必须真实地“感知”这个弯曲的近场磁力线。由于霍尔电压的极性跟随磁场的方向,磁铁的北极可区别于南极,使得使用一个极对来确定绝对角度成为可能。   霍尔元件最多仅能从磁码盘的磁场产生10mV的电压。为了达到光学编码器系统的分辨率,信号的带宽必须被限制。为了达到信号调理的目的,霍尔元件使用一个固定的扫描频率和滤波来评估。这个霍尔传感器扮演了一个模拟低通角色,截止频率大约20kHz。然而,实际上,较长的信号传输延时是不相关的。 4.1)装配公差和补偿特性  两个系统都使用快速实时插补细分电路由向量追踪转换器使用arc tangent进行转换。关于偏置、幅度匹配、相位精度和谐波,此转换器依赖于模拟的正弦/余弦传感器信号。然而,与理想的装配位置的偏差引起的信号误差会减小插补细分的精度。为了确保测量精度,两个系统都允许静态校准由装配引起的信号误差和通过集成的D/A转换器校正调节几个模拟信号路径。   电子信号校准会增大机械活动限制度(表3)。iC-MU也允许正弦/余弦相移校准,这也能补偿径向对准误差。一旦设置和校准,所选择的工作点由自动功能来维持。对于光学编码器,集成的LED功率控制补偿由温度上升引起的LED效率损失。霍尔编码器有一个增益控制用来补偿当磁码盘与芯片距离的变化时引起的场强改变。 表3:机械数据和装配公差 4.2)可能的误差来源  原则上,误差应该被通盘考虑进去。在这里,已对基本情况进行了考察,拿霍尔编码器作为一个例子。如果测量用磁铁的相关几何尺寸已被考虑进去,这些考察结果也同样适用于光学编码器系统。   如果霍尔编码器在扫描半径对齐不理想,将会引起正弦信号失真。如果有一个半径位移(ΔR),霍尔元件不能探测到磁体或者探测到分段的磁极不在正确的位置(图5B)。正弦和余弦信号就会有一个固定的位移误差在随后的扫描中出现。然而,这也可能通过使用集成的信号校正电路得到补偿。表达式1:由于径向对准引起的测量误差   表达式1给出了传感器信号电子相位误差,D为扫描直径,ΔR为扫描位移。例如,参考电子正弦周期信号,一个霍尔编码器径向0.1mm位移会产生0.35°的相移在扫描直径为26mmm时。如果计算每旋转的机械角度误差,结果必须除以极对数。一个标准磁码盘有32个极对,相当于机械角度误差为0.01°。  另一方面,器件在切线方向的位移(ΔX)对两个轨道信号电子角度相移的影响或大或小是相同的(图5A)。这个间距改变和相位差异仅轻微地影响计算绝对位置值,实际上几乎不会改变。然而,偏心装配误差(ΔE)会引起设备抖动(图5C)。直径越小,测量目标的改变越大。一个长波误差出现会减小绝对测量精度。                                             表达式2:由偏心率引起的测量误差 偏心率误差来自于测量器件的位移ΔE,这个误差来自于旋转轴和测量磁铁的极宽p。因此,一个偏心率10um的误差导致相位误差为1.4°(参考正弦周期),或者角度误差0.05°(参考机械旋转),有关尺寸大小,见表3,扫描直径26mm,极宽1.28mm,32极对。对于起决定性作用的相位差游标计算,偏心率误差扮演着一个较小的影响,由于两个信号轨道的偏心率是相同的。在一个完整的机械旋转360°,角度精确度优于+/-0.1°.这个精度受磁化系统的限制。如果个别的磁极变化,轻微的位移影响在大约45°和90°,如图6所示。连接参考编码器的机械轴也产生一个轴心误差,它可以通过在同一个方向旋转的一个长波偏离观察到。                                                                                               图6:iC-MU磁系统角度精度图6展示了iC-MU磁系统的角度测量精度,使用磁码盘 MU2S 30-32,周期角度为11.25°。在这里,数学和图形功能在BiSS读出软件里能容易的比较测量数据。 5)结论:哪个更好?  磁传感器技术有很多优点可说:优秀的可靠性、对冲击和振动的高抵抗性、不易碎、对灰尘和水蒸气不敏感。单芯片霍尔编码器iC-MU允许使用空心轴以及可实现仅有光编码器才能做到的位置分辨率。然而,对于高测量精度的应用,光学传感器,诸如iC-LNB等有优势,但是需要更昂贵的装配成本。但是,考虑到它们具有小的optoQFN和optoBGA封装,单芯片编码器是一个可行的选择。基于这些关键点,决定选择哪一个方案应该由应用本身的需求来决定。 
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Using smart drivers to save energy for long transmission lines
采用智能驱动器为长距离传输线路节能  当在长距离的线路传输信号时功率消耗会倍增,采用智能驱动器可以使得电线或者电缆减少功率消耗。对于控制工程中信号高电平使用24V这种特殊情况,这是采用线驱动器的一个潜在节能优势。功率消耗下降使得线驱动器的外壳温度显著地减小。线驱动器是被设计用来转换逻辑电平和经由连接线传输他们作为电子输出信号。通常在工业控制工程使用的信号摆率大约24V。电缆通常连接到接收器,接收器采用高阻抗来保持静态功率低消耗。关于电缆的特性阻抗,大概100 ohm,控制单元的输入阻抗大概几千个ohm。这里所研究的是电气上的电缆,即没有连接的开路终端电线。  在发射端,线驱动的输出阻抗通常调节到匹配电缆的阻抗。图1展示了一个这种驱动器的例子。这种推挽输出驱动器的输出特性可以简单的由两个理想的开关和一个串联的电阻Rs来等效。这两个开关HS(高边)和LS(低边)按照供给的输入电压(没有在这里画出)控制,由控制信号ENHi和ENLo来产生。图1:线驱动器输出级电路原理图   最初,一个不带电的电线由切换到高边开关HS来充电,供电电压VB沿着电线通过串联电阻Rs和电线的特性阻抗ZL来分配。由于Rs大约等于特性阻抗,在电线的开始端A点上电时的电势大约为供电电压的一半(图2)。再往前(2),整个电缆由线路的波动进展被充电到VB/2。  一旦线路波到达接收器B(3),它在开路终端被反射。此反射波被叠加到输入波,导致在B点由叠加波部分设置一个等于VB的电势。接收器因此检测到一个相当于全电源电压VB的电压摆率。 整个电缆最终的电势由反射波充电到VB(4),意味着一旦反射波到达驱动器输出端A,电势VB/2也上升到VB(5)。 驱动器输出端更进一步的反射由阻抗适配器和Rs有效的抑制,因此,线路电势会趋于一个稳定值。当低边开关LS切换时,电缆以同样的方式又开始放电。图2:信号在一个开路电线上传播 图3所示是依据开关状态从电缆的起始端A到终点B的电压模型。此外,由驱动器本身的供电电压和接收器输入阻抗引起的静态功率消耗是微不足道的,相当大的线驱动器功率消耗(P)时间在电缆的充电和放电。更长的电缆和更长的再充电时间以及更高的再充电频率消耗的功率就越大。功率消耗随着频率线性增加。实际上,最大使用频率由驱动器的最大功率消耗限值。图3:iC-DL在高边和低边开关有效信号ENHi和ENLo激励下电缆起始端A到终端B电压模型和驱动器功率消耗减少动态功率消耗  一种可能的由iC-HX减小动态功率消耗的方法如图4。此驱动器管脚兼容iC-DL,具有一个外部连接一个负载电容Cx。工作时这个电容被充电到供电电压的一半(VB/2)。 图4:线驱动器带开关X和电容Cx的电路原理   iC-HX的工作特别之处是什么?信号传输时通过对电缆的充电、放电和iC-DL是一样的,电源和切换实体不同,接下来由图5说明。iC-HX在充电(1)期间高边开关HS首先由电容Cx的开关连接到电缆取代,这将会充到电源电压的一半。由于在这种情况下电流是由无功功率提供的,这几乎没有消耗任何电源功率,除了通过开关X的电阻性损耗。为了反射波能被驱动器内部吸收,在反射波到达驱动器输出端A(5)之前,电容Cx必须立即和电缆断开并且高边开关HS有效闭合以便输出阻抗Rs变为有效。仅仅在这个短暂的切换到高边开关工作和反射波到达的瞬间功率消耗和iC-DL是一样的。图5:iC-HX高边,低边和X开关在线路起点A到终点B的有效电压信号模型,驱动器功率消耗仅出现在从X到HS以及X到LS短暂的切换时间   类似的情形,当电缆第一次放电时电容Cx又通过开关X连接回电缆。这会引起电缆里的能量传输返回到Cx;仅在切换到低边开关期间驱动器消耗少许能量。  潜在的节能在于驱动器上电和断电的运行时间的使用率有关。  因此,有效应用上述原理,再充电点放置尽可能精确到仅仅在反射波返回前一点是必要的。刚开始iC-HX不知道电缆的运行时间;它必须首先检测反射波朝向。在这个短暂的“学习期间”,iC-HX按照惯例工作几个循环,和一个普通线驱动器一样,不使用Cx切换到电容。一旦电缆运行时间符合规定,此器件自动切换到X开关模式。 潜在节能例子  一个潜在节能的例子由图6给出。此图所描述的是使用四个通道,100m长电缆时驱动器的功率消耗。这是一个典型的增量编码器应用,差分信号A和B使用差分信号传输到控制单元。图6:iC-DL和iC-HX使用两对100m电缆工作时功率消耗对比   如上文所述,由于电缆再充电是间歇的,随着所传输脉冲的频率增加功率消耗也会上升。对于一个给定的频率,iC-HX节省功率消耗大概在30%到40%的范围。相反的,这意味着在应用中由iC-HX替换iC-DL后驱动器温度上升较低。例如,用这种方法,增量编码器由距离决定功率消耗的较高工作温度可以相当地降低到从80℃上升到100℃,在使用相同的机械装配和相同的热阻情况下,热耗散较低。 
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Flexible Sensor Signal Conditioning and Safe Transmission`
灵活的传感器信号调理和安全传输单芯片传感器信号调理器集成附加功能提供灵活的信号调理专业的传感器记录各种各样物理参数提供给人或者机器用来更好的决策和优化处理。为了达到期望的结果,传感器的信号质量和功能安全是同样重要的。此外,转换这些被测量的参数必要时应该尽可能的精确和包含易于集成的电子输出级。设计者面对的一个挑战是廉价的放大这些小信号,这些信号通常具有非线性以及参数受温度影响。使用下面的这些方法来调理它们,使得在恶劣的工业环境下通过长电缆能够保证安全传输。 设计者也需要决定如果要传输信号,传输的信号是数字的还是模拟的。本文概述了针对这个问题的可能方法,描述了一个通用的结构、集成的、可编程的信号调理器用于线性和旋转编码器、AMR传感器和光学传感器的信号预处理,来满足工业应用的要求。信号的质量和错误保护是决定性的为达到最佳的适应和评估各种传感器元件,例如,用来测量温度、压力/压强、加速度、位置或光强度,需要一个仪表放大器来提供一个必要的放大。仪表放大器是一个差分器件,两个输入同样放大;它要求必须包含灵活的、可调节的和具有一个高阻抗输入来处理这些非常微弱的传感器信号。它也必须具有补偿能力来补偿由于生产引起的制造偏差。在信号调理级,应该考虑到由温度或温度漂移以及泄露、抑制引起的非线性影响,还要避免噪声或在传感器感应的干扰。传感器桥阵列(典型的是惠斯通电桥)尤其适合抑制共模干扰以及即使轻微的电压改变也能够提供一个足够的信号质量。当需要在信号通道定位可能的信号错误源时,考虑下面的这些可能性: 1、检查线路断路或者短路 2、在传感器上或者在信号传输期间感应的干扰 3、电源供电中断或者接地不良 4、超出最大工作温度范围一个个冗余的信号路径模式已被证明在高要求的错误保护情况下是明智的,但传感器信号电缆的成本将会加倍。一个好的折中是以传感器信号的差异作为条件来简单的检测信号线错误,以及结合这个使用一个集成的温度探测器和一个电压探测器和传感器监控功能来提供各种诊断功能,包括识别传感器焊接和线缆失效以及温度监控。关于传输传感器信号,一个供替代的选择是在信号调理之后立即数字化这些值,然后使用安全的数字协议传输它们。为了达到较高的测量分辨率,每个传感器需要一个ADC,而这将涉及到更高的使用复杂的现场总线协议的成本。 简单的电压信号(例如,0-10V)或者电流信号(例如,4-20mA)接口是相当通用的但不提供标准监控。系统设计者因此选择差分传输模拟测量值,差分传输使得传感器信号在驱动器方面逻辑是有效的以及即使使用长的连接电缆共模干扰也会得到抑制。采用这些建议,iC-Haus构思了iC-TW3,一个差分的,三通道可编程信号调理器,配备100-120Ω闭环差分线驱动器。 一个通用的信号调理器图1所示的是iC-TW3通用信号调理器的差分信号通路。此器件由一个可编程输入放大器、一个偏置补偿级、一个动态滤波器和一个差分输出放大器组成。输入偏置、增益和低通滤波器频率可在此信号通路中设置。在所有三级放大覆盖的-6到57dB范围可由间隔0.08dB进行设置。一个总共±1240mV的偏置电压可由多个40mV配置给前端放大器。一个总共±2.54mV的偏置补偿值可以2mV为单位由下游的动态滤波器放大器设置。输出放大器也包含差分线驱动器和推动已调整的信号,以便使用一个低阻线终端(例如,120Ω)也可以用来直接传输1Vpp的信号。图1:传感器信号调理通路此放大器输入也可以工作在单端模式。如果有这样的需求,则放大器负的输入端要连接到VDD/2。作为一个附加的选择,连接到传感器器件的线缆断开可以由切换到内部的2MΩ上拉电阻来监控。发生此错误事件,信号调理器iC-TW3由NERR输出一个低电平标志产生了一个传感器断开事件。 自动温度补偿  温度错误通常在传感器部分没有补偿,但会在中心计算机、微控制器、PLC或者驱动器补偿。温度直接由传感器测量并且作为一附加参数被传输。作为一种选择,温度可以在传感器部分测量,用来限制监控和执行本地补偿。后面的这种方法基于两个温度测量点的线性插补细分。为此,iC-TW3允许一个总计16个自由选择的插补细分点在0-255的范围,包括最低值0和最高值255。使用集成的温度传感器,这相当于-50℃到150℃的范围。然而,两点距离之间的温度传感器曲线可以自由地选择以及可以被调节到适合任何类型的曲线。这些插补细分点存储在一个查找表里,iC-TW3自动地差补细分通道A和通道B的增益和偏置与通道Z的偏置一样好。一个总计五个8位的值给可能的16个插补细分点,存储在I2C连接的EEPROM表格里。这个例子如图2所示,七个定义好的差补细分点用于温度补偿来矫正所连接的传感器的偏置和增益的非线性。图2:插补细分温度补偿增益和偏置一个外部温度传感器也可以被连接到iC-TW3,此传感器应该从物理上隔开电子和其他环境温度的影响。一个在-50℃和150℃之间的8位的值被用来定义一个可选择的门限温度触发警报。这个警报由iC-TW3的ERR管脚输出一个低电平,此也可以被用来驱动一个通用错误LED指示。 由微控制器或者一台计算机来调理  iC-TW3由一个双向的脉宽调制1-线接口来读/写访问所有的寄存器,如同连接的参数存储器件(一个标准的I2C EEPROM)。在实际应用中可以通过一个微控制器的端口直接控制。此连接也可以配置成一个光学的只-写连接,如果是密封的传感器补偿,需要“无线”设置。例如,通过一个光传输窗口完成。可提供一个适配器用来开发和设计使用,它可以连接到普通计算机或者笔记本电脑的USB接口。图3描述了iC-TW3的图形用户界面用于调理信号通路A和B。在开发期间,这允许用户确定所有的前置放大器的增益和偏置、滤波器和输出放大器的参数。工作模式设置(差分或者单端)和传感器错误监控也可以使用这个工具来编程设置。如果设置被选择,所有新的设置通过软件立即写入iC-TW3连接的EEPROM。当前iC-TW3的测量温度、EEPROM校验和报警、超温和传感器错误也形象的显示出来。每个信号增益路径可以设置为省电模式来节省功耗。 第三个通道Z信号通路的设置是相似的。这可以用来扫描增量编码器的参考轨道,用于角度和运动测量或者作为一个可调节的比较器支持增益和偏置警告设置。自动偏置补偿周期信号,例如那些正弦/余弦扫描和最大适应频率以及目标幅度(内部1/2VPP或一个预设的外部值),使用Misc菜单选择所有的传感器信号通道。这也可以用来切换温度补偿的开关和设置最高温度限制。插补细分点和温度补偿特性曲线特征(多达16个查找表)通过一个集成编辑器编辑(通过菜单Extras访问)。图3:通过USB接口调理信号用于开发和生产传感器桥应用  图4是一个运动传感器电路图,通过磁或者光传感器桥扫描两个差分轨道,然后调理这些周期的正弦/余弦信号,放大到1Vpp以及通过连接电缆差分传输他们给一个120Ω的线路终端。视情况,一个索引传感器信号可以经iC-TW3的第三个通道调整处理和传输。这种方法的优越性是差分的正弦/余弦传输实际上不受接口影响,以至于它的逻辑可验证性,确保应用电路的功能安全。在接收器部分调理过的传感器信号也可以使用一个非常高的分辨率数字化,使得线缆短路和断路在接收器部分能容易的被识别。图4:运动传感器带正弦/余弦信号调理和差分模拟传输上电后,iC-TW3从EEPROM提取工作模式和校准数据填充到它的内部RAM。依旧可以通过1-线接口访问它,允许重新补偿或者改变工作模式。然后,这些变更可由iC-TW3写入EEPROM。如果iC-TW3检测到一个错误(例如超温、EEPROM校验错误或者传感器器件连接线断开),NERR输出被激活。这个报警然后可由一个数字输出驱动器通过长的线路或者电缆传输。 内置安全功能  而图4所示的系统支持安全的差分线在120Ω的负载线驱动,图5所示的系统支持100Ω线驱动。图5所示的是磁增量编码器的例子,磁传感器桥或者光信号被iC-MSB用iC-TW3相似的方法放大和调理。在线缆带100Ω的终端电阻,iC-SMB提供一个摆率为1Vpp值并且支持短路保护和容错。iC-SMB电路通过了失效模式与影响分析(FMEA),因此适合在安全应用中使用,例如西门子数控产品系统。图5:磁编码器带模拟信号传输适用于关键性安全应用由上所述,传感器信号调理应该包括灵活的信号调理设置、全部的信号传输路径、包含信号调理和模拟线驱动器。这些会帮助减小系统成本和满足功能安全需求。片上温度传感和自动偏置补偿提供了新的方法去提高系统性能和减少控制系统的工作量。 )
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采用集成电路激光二极管驱动器提高产品性能减少生产及维护成本
采用集成电路激光二极管驱动器提高产品性能减少生产及维护成本设计挑战在设计低功耗激光二极管驱动电路时,设计者可以选择使用经典的分立元件解决方案或者使用高级的全集成电路解决方案。通常设计者在选择方案时只考虑到元器件的成本因素,没有考虑到整个系统成本设计。生产,测试以及售后支持要在在整个产品寿命期间,主要的关键因素考虑如下:在整个供电电压范围和工作温度范围内输出功率的稳定性;可靠性;空间要求和激光二极管保护;装配,测试,以及调校成本;电路设计和测试时间;元件采购和运输成本;潜在的售后担保成本;通常被忽略的大多情况是激光模块中代价最大的部分,即激光二极管本身。因此,保护好激光二极管是一个有利的投资,尽管这个电路需要较高的元件成本。分立元件驱动电路如图1所示,是一个典型的分立元件APC(自动功率控制)驱动解决方案,用于供电电压范围从6到12V的连续波动模式。在这种情况下通用运算放大器加1只齐纳二极管,1只三极管和17只无源元件用来控制输出功率。电路大概需要6cm2板子空间,没有激光二极管反极性保护和故障保护。这个分立元件解决方案电路启动时间大概是20毫秒。图1:典型的分立元件激光二极管驱动电路 集成电路驱动器     图2所示的激光管驱动解决方案是使用集成电路iC-WKN,一个专用的APC激光二极管驱动器IC用于连续波工作,工作电压从2.4V到15V,高达300毫安驱动电流。此方案仅需4个附加无源元件来构建一个完整的驱动器。整个电路板占用空间大约1.25cm2,占用空间比分立元件方案缩小了4倍。此电路IC内建接反极性保护,过流和超温断电。上电软启动(典型值70us)。此电路也保护激光二极管免瞬态冲击和在宽电压范围供电时保持输出功率稳定。图2:集成电路激光二极管管驱动器结论图3所示的图表是在6至12V供电时分别测量的两个方案的激光二极管输出功率稳定性。分立元件解决方案输出功率在供电电压范围内偏差大概10%,集成电路iC-WKN解决方案输出功率在相同供电电压范围内偏差小于1.5%。 图3:分立元件和集成电路解决方案功率输出变化范围 在可靠性方面必须考虑分立元件解决方案有46个焊接点,集成电路IC-WKN解决方案仅有17个焊接点。分立元件解决方案多于两倍数量的焊接点和超过4倍数量的元件是直接影响MTBF(平均故障间隔时间)的因素(MIL-HDBK-217标准)。当比较分立元件解决方案和集成电路解决方案的总成本时不得不考虑以下6个方面的重要部分:部件;装配;调节和测试;部件采购成本;库存成本;潜在的售后担保成本;仅考虑部件成本需求,集成电路解决方案成本大约贵两倍多于分立元件解决方案。但是较大数量元件的分立元件解决方案增加了装配成本,同样增加了两个电位器的手工调节输出功率成本。在这种情况下分立元件解决方案的装配,调节和测试成本大约贵两倍多于集成电路解决方案。因此两个解决方案的成本彼此相当。集成电路解决方案整个系统的可靠性,稳定性和保护激光二极管明显更好。 必须考虑到分立元件解决方案由于元件部件数量多,焊点多,替换或维修的成本。 表格1概述了两个解决方案的比较结果。 参数比较分立元件解决方案(图1)集成电路解决方案(图2)输出功率稳定性(供电电压6-12V)大约10%小于1.5%元件数量20只5只板子空间大约6平方厘米大约1.25平方厘米相关成本部件装配调节和测试 122 211接反极性保护无有瞬态保护无有过流关闭无有超温关闭无有启动时间大约20ms大约70us平均故障间隔时间12.2  表格1:分立元件和集成电路解决方案比较  
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Fast and simple measurement of position changes
简单快速的测量位置变化  加工机械位置系统、精密测量仪器以及搬运机器人需要快速的记录位置数据,也需要快速的识别出任何变化。高分辨率编码器和光栅尺通过一个编码器接口反馈位置数据给控制中心。选择的这个接口必须满足控制单元对时间的要求。对于设计者,拥有太多的编码器接口可供选择,这样就使得选择编码器接口的任务和完成这个任务一样的复杂。除了那些众多的专有数字接口,也有一些开放的标准接口,例如,SSI和BiSS接口用于绝度位置读取。然而,如果方向上的或一个非常高的位置分辨率变化需要一个快速的捕获,串行数据接口的吞吐能力是有限的。作为另一个选择,有很多传统的开放编码器接口可供传输位置数据,例如使用正弦/余弦信号或者增量A/B信号传输位置数据都很好。下面的文章描述这方面的需求、替代选择以及可行的解决方案。                                           目录1.选择编码器接口2.使用当前值快速控制3.仅仅计数是不够的!4.构建一个快速编码器接口5.摘要 选择编码器接口在使用控制器或者PLC的线性/旋转编码器的系统中调用一个接口模块(如图1)。很多控制器厂商提供一定范围的专有或者开源接口。 模拟接口模拟接口是传统的非专有接口,传输位置信息使用模拟信号。在接收方,既可以使用正弦/余弦值供插补细分器细分,也可以使用电流或者电压信号(例如,0-20mA 或 0-10V)确定绝对位置。后者是非常通用的接口,用于简单的位置编码器。在安全应用领域,模拟差分正弦/余弦信号收发器是优先选择的,差分信号的错误第一时间可以被检测到,因此适合这类应用。图1:控制器或PLC的编码器接口 数字绝对值接口最快的传输数字绝对位置数据的方法是通过一个并行接口。这个接口通常由TTL驱动器担当。然而,并行接口线缆的成本非常高,因为这个原因这种方法不是特别受欢迎。其他方法越来越流行了,包括使用标准的非专有现场总线用于串行传输,例如,CANopen、以太网以及开源的SSI/BiSS接口。 数字增量接口另一个传统串行编码器接口使用两个相移90°的A和B信号提供增量传输位置变化数据,就是众所周知的正交信号。另外,一个Z脉冲信号提供零位信号用于零位探测。对于增量接口,一个方向上的改变由A到B信号的相移或者B到A信号的相移变化表示。图2所示的是一个靠近零位置的方向改变时序图。这里给出的是一个旋转运动方向改变时的分辨率,是一个角度,滞后1.4°。如图所示,A,B增量信号相移允许探测方向用于向下和向上的计数。在这个例子里,一个循环内,A/B信号提供360°的边沿(H至L或者L至H)。方向鉴别器必须评估这些边沿的相位差以及激活向上/向下计数器。这例子是编码器当时的绝对位置信息。图2:增量编码器接口和A,B,Z信号时序图   增量编码器接口的优越性在于低成本和对线缆的低要求。典型的配置包括TTL驱动器输出、集电极开路输出以及线驱动器输出。TTL驱动器和集电极开路器是更低成本的解决方案,线驱动器提供许多优越的性能。这些高级性能包括差分驱动器的抗干扰性、可驱动长距离线缆运行、高效的功率消耗以及快速串行传输性能的提高。差分对传输器得益于使用专用的RS422驱动器,提供更好的适应性。方向的改变也可以被快速的探测,速度由简单的测量两个Z零位脉冲之间的沿距离来确定。然而,一个绝对位置仅在一个Z零位脉冲到达之后有效。对于旋转运动,绝对位置在至少一个循环之后获得。为此,线性测量系统需要一个参考或者起始序列优先于常规运行。 使用当前值快速控制高精度应用和高速运动产生非常高的时钟频率,这不得不由接口模块来处理。考虑这种高速度和位置控制,可实现的控制循环依赖于固件的算法和硬件的延时时间。举例说明,图3图解了一个电机控制系统的组成。除了固件的执行时间之外,如下的硬件执行时间也要特别注意考虑进去:1.    编码器延时:插补细分器的处理时间和A/B信号的输出耗时。2.    编码器和控制单元/PLC之间的传输时间。3.    控制单元/PLC的编码器接口模块读出时间图3:一个电机控制回路的定时组成部分编码器延迟    编码器延迟(TLZ)依赖于模拟放大器的带宽,其内部的插补细分处理、分辨率以及其使用的编码器接口。 插补细分器延迟如果模拟编码器信号正弦/余弦插补细分是一个基于MCU/DSP系统,延迟周期可能超过200us或更多。特别要注意的是当使用较高频率和分辨率,尤其是协同多轴控制和冗余系统。在这种情况下,延迟可以导致位置数据或许不是当前的或者不同步。为迎接这个挑战,一个基于超快闪速(flash)插补细分器可以担当此任务(例如,iC-NV)。iC-NV是并行内部处理,可获得延时少于1us的插补细分器。 编码器接口延迟当采用串行编码器接口时,通常只扮演着重要角色的是数据传输时间。对于串行传输,MCU/DSP从编码器接口模块的位置数据读出时间Tread,取决于数据位宽和整体速度。例如,SSI在10MHz运行,32位宽,传输时间为3.2us。对于增量接口,延迟通常可以忽略,给出实时性位置运动编码器信号边沿。然而,方向的改变将增加一些数量的延迟,取决于增量信号的迟滞(见图2)。 处理延迟一旦位置数据通过编码器接口被读取,软件算法处理时间(TS/W)增加了系统延迟。这将在不同系统之间由于系统本身的处理时间而大为不同,取决于使用的MCU或者DSP的构架和处理能力。 电机延迟在位置数据被读取和处理之后,最终的延迟属于电机驱动器自身的一部分。激活电机(Tdriver)和随后的反应时间(Tmotor)必须被加到整个的系统延迟。所有的这些延时时间加到系统延迟,这个延迟会直接影响整个控制周期的持续时间。反过来,这也影响生产率和整个机器电机控制系统的精度。 3)仅计数是不够的!电机的速度和编码器的分辨率确定被处理的脉冲的重复率。然而,当选择一个编码器的时候必须一并考虑其他因素。 编码器选择例子以一个高速应用为例,磁编码器系统,例如iC-MH在分辨率为10位时允许电机速度高达480,000 RPM。这些器件也同样提供相关的电机换向信号UVW。典型的电机速度通常在500到15,000RMP范围以内。然而,通常要求的分辨率为12位或者以上。在这种情况下,一个速度为120,000RPM和12位位置分辨率的编码器可以由iC-MH完成。iC-MH是一个单芯片绝对值编码器器件,提供多种编码器接口。包括两个串行SSI/BiSS传输接口和一个增量接口。聚焦这个标准增量信号,A/B信号的沿重复率达8MHz。这允许一个大于125ns的最小沿距离距离在两个A/B信号沿之间(见图4a:多种电子插补细分器/编码器特性)。图4a::多种电子插补细分器/编码器特性 位宽和速度图4b给出了每旋转编码器的脉冲数,取决于速度。在一个15位分辨率以及10,000RPM重复率时几乎达到5.5MHz。标准编码器仅在低速时能获得像这样的分辨率。随着方向改变,最小沿距离非常重要而且必须被考虑进去。图4b:脉冲速率取决于速度和分辨率直线电机例子如果使用直线电机,通常需求的速度为几米每秒。对于无芯直线电机,甚至可以获得超过7m/s的速度。对于光栅尺或磁栅尺,其提供一个周期间隔20um的正弦/余弦信号。若由采用一个分辨率因数为16的插补细分器细分,例如,采用iC-NQC,可达到1.3us的分辨率。在直线速度为2m/s时,脉冲重复率为1.6MHz。除了脉冲重复率和A/B信号的最小沿间隔之外,在开发期间也要遵守下面的这几方面: 多轴位置在tX时刻同步存储简单的速度测量在A/B信号传输期间检测失调/误差可编程计数器的长度要考虑到不同的测量精度单端和差分两种方法评估A,B和Z信号 4)构建一个快速增量接口增量编码器可以用多种不同的方法连接,对于非常缓慢的运动,使用MCU的固件和一个中断来评估信号沿即可。如果使用一个外部方向鉴别器,或者使用一个集成到MCU内部的方向鉴别器,数KHz频率的A/B信号也许由MCU的内部定时器/计数器能胜任此扫描任务。对于工业控制器/电机控制系统,FPGA也经常用来构建编码器的接口。取决于此处理器的构架,有些这方面的一些系统有局限以及不能处理高频率的编码器。然而,采用新开发的嵌入式控制器和专用的编码器处理器可以帮助设计者解决此类型的设计挑战。iC-MD是一个此类型的编码器处理器件,如图5所示,此器件提供一个完全的增量编码器接口和集成的差分RS422线接收器。iC-MD也可以连接到一个SPI接口或者一个SSI/BiSS接口。iC-MD集成的方向鉴别器激活可编程长度的同步向上/向下计数器。此允许高达3个通道,每个通道可配置高达16位,或者配置为两个24位计数器,或者配置为一个32位计数器,或者配置为一个48位计数器。在两个零脉冲之间,一个24位参考计数器计数A/B信号的沿数目。同时使用两个24位寄存器,其用来评估编码长度参考标记。累加的参考计数器值也可以用控制器或者本地MCU/DSP来计算速度或者加速度。一个速率为40MHz的编码器,最大计数频率要足够支持一个小于25ns的沿间隔。第一个24位计数器的位置可以存储以及可通过一个外部事件从接触式探针引脚(TP)读出,或者通过iC-MD的SPI/BiSS接口读出。在一个多轴控制器应用中,这个功能有助于在tX时刻同步存储所有的位置信息, 以及顺序读出传播延时时间。图5:3通道增量编码器接口带差分RS422接收器 A/B相位逻辑也被iC-MD监控,并且报告给MCU/DSP其他错误,例如过压,通过一个错误输出(NERR)。报警,例如计数器向上溢出或者向下溢出,由iC-MD的输出NWARN切换到低电平来标志。这些输出端子是双向的并且也由iC-MD作为一个外部消息来存储以及它的状态可以通过SPI/BiSS接口读出。两个执行器输出(ACT0/1)可由软件和MCU/DSP作为信号输出(例如,用于LED状态指示)或者作为开关。当考虑到很多编码器接口设计数不尽的挑战时,设计者面对的是更多的挑战。若采用编码器处理器,例如iC-MD,很多功能可以从一个已经存在的MCU/DSP平台获得。如果这样,这将会减少系统的负担以及提高很多性能和适应性来达到总体系统设计的要求。 5)概要  在未来的几年里,需要更短的机器生产速度和更节能的产品,而且为驱动系统开发快速位置传感器也将成为一个主要的挑战。有针对性的集成电路,如本文的这个例子,将有助于以成本效益的方式解决这些要求。未来的编码器iC研发瞄准的是时钟速率高达100MHz,以便更高的精度可以被快速和可靠的测量。 
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Going digital scanning cursor
游标插补细分为线性位移测量系统和旋转编码器提供了优秀的差分线性和更高的分辨率 混合信号亚微米CMOS技术提供了高性能的片上系统设计。随着传感器(光电二极管或者霍尔元件)的集成,提高了位置传感灵敏度。模拟正弦信号插补细分已经变成了一个技术标准,线性位移系统能够到达小于1微米的分辨率。如果在这些交错间隔反复应用这个原理,就会得到更加精确的测量结果。这种方法的基本原理来自游标卡尺,这种插补细分使用了集成游标设计。无论测量尺是磁的或者光的,或者是粗略的还是精细的,计算原理是相同的。这个游标扫描过程是完全模拟的,并且发生在一个超小区域内。这个方法提供了替代既定的线性和旋转位置的传感方法。 一种细分编码器由比较主尺和游标细分尺,电子传感器可以得到精确的读数,不需要连续扫描多个数字轨道。例如,iC-Haus的插补细分电路iC-MN(图1)可以评估一个或者两个附加到主尺的游标尺并且联合这些读数形成位置数据。图1:光学游标系统用于三个信号轨道插补细分对于iC-MN,插补细分电路定义绝对角度位置是利用三个正弦信号的相移。这种方法比仅使用两个标尺对系统要求的精度较低,较容易实现。主轨道α1决定着细分分辨率和系统绝对精度,游标轨道α3和段轨道α2产生的信息用来决定间隔(图2和图3)。一步一步的计算步进时信号错误允许的公差。采用这种方法可以制造小尺寸的测量尺和编码器机构,并且这种灵活性可以用于较小的传感器。信号的频率也降低了,因此,通过模拟电路元件的不同相移延时的低通特性可以忽略,无需使用低通滤波器。图2:三正弦/余弦输入信号分别数字化(相位角a1,a2和a3)图3:以a1提供的细分分辨率从相移a1和a2计算出角度a3芯片功能iC-MN的每个通道有一个可调节的信号调理单元和一个采用保持电路,采样保持电路保持调理过的模拟信号用于顺序的数字化。为了达到这个目的,此单元包括一个高精度SAR ADC,带8-13位可调节分辨率的插补细分器。 在模拟电路,信号偏置电压为校准提供一个参考。此单元也评估信号幅度,如果需要,传感器提供能量给这个轨道。这意味着在室温下调理的参数设置仍然在整个工作温度范围内有效。 非线性ADC使用正切函数同时分析正弦和余弦。这用来预防ADC来自细分频率依赖由于速率错误引起的角度错误。 为了计算高分辨率角度位置,可以配置两个乃至三个轨道游标计算,这使得分辨率高25位(360度;一周内分辨率达0.04 弧度秒)。 iC-MN为7х7mm QFN48封装,需要注意连接线终端防止极性接反和错误连接,包括RS-422收发器串行数据接口。数据输出是SSI协议或者BiSS协议,BiSS时钟速率可达10Mbps。 使用这个器件可以监控所有的芯片主要功能和配置报警给指定功能。系统会识别典型的传感器错误,例如由于信号线断开引起的信号丢失,短路,脏污或者老化,并且通知控制器。 光学编码器绝对值光学编码器使用精密的标尺,使用微结构应用于玻璃基片。此器件得益于系统级片上集成解决方案和元件尺寸。除了执行多轨道数字扫描以外此编码器还细分模拟信号来产生中间值。 光学编码器使用光束穿透模式,使用LED作为光源,码盘上面有一定数量的码道,传感器为光敏感性IC。此传感器结合光电探测器,信号调理单元和插补细分电路在一个单芯片系统。 使用一个高数量的均匀间隔围绕分布在码盘的圆周,标准工艺可以达到非常高的精细分辨率。例如,片上系统iC-LG位置传感器,初始化分达到2048个相等间隔每圈。码盘直径为42mm,码道宽度大概27um。 为了维持单圈绝对位置,此传感器必须区分出每个间隔。为了达到这个目的,码盘具有高达13个附加的码道,它以数字绝对码的形式提供了清晰的间隔信息。 此传感器会通过插补细分这些周期的间隔来更进一步完善这个位置数据。在这里,每一个间隔提供了一个正弦和一个余弦信号。通过计算正切函数,传感器可以确定一个间隔内实际的相角。这可以补偿数字绝对代码的不利因素来获得更细微的绝对位置信息,相应分辨率高达21位。 游标的窍门为了达到精细的基本分辨率,基于游标的计算也可以区分这些周期的间隔。为了达到这个目的,这个方法使用额外的正弦信号取代数字绝对码。对于测量标尺,3个轨道足以替代12个。目前的传感器,LED以及镜头都适合设计成非常小的元件,这些小尺寸的元件开辟了新的应用。 同时,有效的光电传感器阵列,例如iC-LSH,提供高保真的无滞后和低失真正弦信号。这允许精密细分以便游标计算能基于较少的周期间隔(图4)。图4:游标编码器空间缩小一半角度误差为了达到较好的细分,确认相关信号错误和补偿这些信号是非常重要的。典型的错误源包括由偏置引起的传感器阻塞(OS和OC);传感器正弦和余弦信号的灵敏度不一致(幅度AS和AC);正弦和余弦信号之间的相移偏离90度;(ΦSERR 和/或ΦCERR)以及传感器的非线性特征曲线(正弦和/或余弦曲线的形状偏差)。在测量标尺或者光栅也有误差,例如每个周期间隔的宽度波动导致正弦和/或余弦信号的周期会不同。通常这个角度由一个周期间隔的反正切正弦和余弦信号相关的商依照等式1计算出:插补细分电路量化这个角度,细分这个周期间隔使得编码器的位置分辨率超过每旋转20位是可行的。一个短的波动角度错误是在一个周期间隔内的错误。依赖于周期间隔的数量,此错误对角度测量绝对精度有不同程度的影响。一个长的波动角度错误随着轴每旋转一周而重复。调整码盘通常会引起这种类型的错误。测量标尺的精度也是一个决定性的影响因素。编码器轴的装配也可能引起整个系统的角度错误(例如,装配偏离中心以及轴和轴承受力过大)。 对于光编码器(iC-LG,2048个周期间隔),整个一圈(360度)的绝对错误×2048)。插补细分电路可以提高10倍的精度,电子精度可以达到2.8度。为了补偿较低分辨率的测量标尺的信号,对插补细分电路要求就更高。信号调理也是一个重要的因素。它必须精细的矫正波形。传感器信号谐波分量也是一个影响插补细分结果的因素,因为它会减小角度的精度。现在制造的光电传感器阵列总谐波失真低于0.4%(使用256个周期间隔),然而,已经是一个主要的错误来源。 概要幸亏有游标插补细分技术,使用此技术的编码器使得测量系统的整体性能可以达到更高的精度以及使用优良的差分精度为数字化的电机反馈系统提供更高的分辨率。一个相对较小的光学传感器仅仅由几个少数的信号相位关系足以扫描位置信息。使用此技术做编码器可以使用简单的光源,较低的功耗,和节省空间。这反过来又降低了系统成本和开辟了新的应用。 
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