基於IPS8200HQ的工業數字輸出擴展板

描述

針對STM32Nucleo的X-NUCLEO-OUT16A1工業數字輸出擴展板，在一個連接到0.7A工業負載的數字輸出模塊中，為IPS8200HQ八位高端智能功率固態繼電器的驅動和診斷能力評估提供了一個強大且靈活的環境。X-NUCLEO-OUT16A1通過STISO620、STISO621和Arduino® R3連接器與STM32 Nucleo上的微控制器進行接口連接。用戶可以選擇控制IPS8200HQ的驅動模式：通過JP21跳線器（開路時為SEL2 = L）選擇並行模式，或通過JP21跳線器（閉合時為SEL2 = H）選擇SPI模式。在選擇SPI模式的情況下，用戶還可以通過JP22跳線器（開路時為SEL1 = L）選擇8位通信協議，或（閉合時為SEL1 = H）選擇16位通信協議。

IPS8200HQ的VCC電源引腳由連接器CN1提供，而負載（由IPS8200HQ的八個輸出通道驅動）可以連接在連接器CN2、CN3、CN4、CN12以及連接器CN1的引腳2之間。

板載數字隔離器（STISO620和STISO621）具有在兩個應用側（邏輯側和過程側）之間實現2.8k VRMS（4k VPK）的電隔離功能。這種電隔離確保了邏輯側（即MCU的應用側）與過程側（即工業負載的應用側）之間的電氣隔離，從而提高了系統的安全性和可靠性。

邏輯側是MCU的應用側，由VISO_L電源軌（3.3V或5.0V）供電。VISO_L可以通過連接到CN13的外部電源提供，或者通過CN6的引腳4（當SW1跳線器閉合1-2時）或引腳5（當SW1跳線器閉合2-3時）提供。這種設計為用戶提供了靈活的電源選擇，以適應不同的應用場景和電源需求。

過程側是工業負載的應用側，由VCC和VISO_P電源軌供電。VISO_P（3.3V或5.0V）通常由VREG電源軌提供（當JP31跳線器閉合時），該電源軌可由IPS8200HQ內置的降壓轉換器生成（當SW17跳線器閉合1-2，JP20、JP15跳線器閉合，且JP28跳線器根據所需電壓設置為閉合2-4以獲取3.3V或閉合1-3以獲取5.0V時）。另外，VREG也可以由連接到CN14的外部電源提供（當SW17跳線器閉合2-3，JP20、JP15跳線器打開時）。這種設計允許用戶根據實際需求選擇內部生成或外部提供的電源，以滿足過程側對電壓和電流的需求。

在並行驅動模式（通過默認的跳線器和開關設置激活）下，應用板甚至可以在沒有任何Nucleo板的情況下工作：在這種情況下，用戶必須通過CN1提供過程側電壓（通常為24V），並通過CN13提供VISO_L（通常為3.3V）。CN5[1, 2, 3]、CN8[4]和CN9[3, 5, 7, 8]上可用的INX信號用於控制連接到過程側負載的相應OUTX的開/關。INX引腳可以通過在0V和VISO_L之間擺動來驅動低/高電平。每個OUTX（OUT1…OUT8）的激活情況可以通過綠色LED DOX（DO1…DO8）進行監控。這種並行驅動模式為用戶提供了在不依賴Nucleo板的情況下，直接通過外部信號控制負載的能力。

三個診斷引腳（TWARN、PGOOD、FAULT）的激活狀態可以在對應的紅色LED（分別是D11、D12、D13）上可視化，或者通過示波器在TP6、TP7和TP5上進行監測。這些診斷引腳提供了關於IPS8200HQ工作狀態的實時反饋，使得用戶可以快速識別並響應任何潛在的問題或故障。

注意：雖然引腳CN8[5]、CN5[9]、CN5[10]分別連接到FAULT_L、PGOOD_L和TWARN_L網絡，但由於同一側存在布線錯誤，這些引腳無法正確報告過程側（FAULT、PGOOD、TWARN）上相應信號的狀態。這意味著，在嘗試通過這些引腳獲取診斷信息時，用戶可能會遇到不準確或誤導性的結果。因此，建議用戶通過其他可靠的方式（如直接監測IPS8200HQ的輸出或使用示波器）來獲取準確的診斷信息。

在SPI驅動模式下，可以通過更改默認配置（JP21閉合；SW4、SW5、SW6、SW7、SW9、SW10、SW11、SW12、SW13、SW14、SW15和SW20閉合2-3，SW18閉合1-2）來設置。SPI-8位模式是默認模式（JP22開路），而SPI-16位模式可以通過將JP22閉合來激活。

在SPI驅動模式下，還可以通過將SW3閉合2-3來激活MCU凍結檢測功能。

該擴展板可以連接到NUCLEO-F401RE或NUCLEO-G431RB開發板。在這種情況下，配套固件X-CUBE-IPS通過讀取CN8[1]和CN8[6]上的SEL2_L和SEL1信號來檢測所選配置（GPIO、SPI-8位、SPI-16位）。MCU凍結功能的激活通過CN9[4]上的WDEN(in)進行檢測。

此外，還可以評估由堆疊在其他擴展板上的X-NUCLEO-OUT16A1組成的系統。實際上，SPI驅動模式允許通過Arduino連接器與另一個堆疊的X-NUCLEO-OUT16A1進行菊花鏈式通信：兩個堆疊板中的一個必須配置為SW6、SW18閉合2-3，另一個則配置為SW6、SW18閉合1-2。這樣，兩個擴展板就可以通過SPI接口進行級聯通信，實現更複雜的控制邏輯和更大的輸出能力。

所有功能

基於IPS8200HQ的八通道高端開關，其主要特點包括：

1. 寬電壓操作範圍：支持10.5V至36V的操作電壓範圍，擴展電壓操作範圍（當J9跳線器打開時）可達36V，應用板電壓操作範圍為12V至33V。

2. 高輸出電流能力：每個通道的最大輸出電流可達0.7A。

3. 低功耗：具有低導通電阻（RON(MAX) = 200mΩ），有助於減少功率損耗。

4. 欠壓鎖定功能：確保在電源電壓低於閾值時，開關不會激活，從而保護電路和負載。

5. 靈活的驅動模式：支持並行驅動模式和高達5MHz的SPI通信（8位或16位可選），方便與不同控制器的接口。

6. 嵌入式降壓轉換器：內置降壓轉換器，提供VREG電源軌，可根據需要配置為3.3V或5.0V。

7. 高效的狀態指示：配備4x2 LED矩陣，用於直觀顯示工作狀態和診斷信息。

8. MCU凍結檢測：通過特定配置，可以檢測並響應MCU的凍結狀態，提高系統的可靠性和穩定性。

9. 快速衰減功能：針對感性負載，提供快速衰減功能，減少關斷時的電壓尖峰和電磁干擾。

10. 多種保護機制：包括過載保護、過溫保護、失地保護、結溫過熱保護和奇偶校驗診斷（FAULT引腳）、外殼過熱診斷（TWARN引腳）以及電源電壓水平診斷（PGOOD引腳），確保在各種條件下都能安全運行。

11. 高可靠性設計：採用QFN48L 8x6mm封裝，提供高達4kVPK的電隔離（由STISO620和STISO621保證），並具備電源軌反極性保護功能。

12. 廣泛的兼容性：與STM32 Nucleo開發板兼容，並配備Arduino® UNO R3連接器，便於與各種開發環境和生態系統集成。

13. 環保與認證：符合RoHS和China RoHS標準，具有CE認證，確保產品的環保性和市場准入合規性。

此外，該設備還通過藍色LED顯示SPI模式選擇，黃色LED顯示SPI 16位模式選擇，以及紅色LED分別顯示FAULT、PGOOD和TWARN診斷信息（需通過相應的跳線器配置）。