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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. 特點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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高度集成化電路趨勢---無源器件內置 XR73
省空間方案——無源器件內置簡介:隨著科技的日益發展,無論是工業產品,還是各種消費類電子產品,對體積和空間的要求越來越嚴格。例如,世界第一臺計算機的體積猶如一座小樓,而如今的計算機卻可以做到如手掌的大小,人類文明的進步,造就了工業和技術的高速發展。同樣在各種高速發展的科技信息行業中,集成電路發展有著急劇的變化,從lead引線元件到大規模的SMD,從簡單的單層PCB發展到多層PCB通孔連接,從高功率大體積到低功耗小尺寸的變遷。而近些年來嵌入式電阻和電容的技術又走在了科技的前端,也將代表著下一個時代和未來的趨勢。在此之前,人們已經發明了多層PCB板技術,其中核心的部分就是大家熟知的微過孔技術,其不同層的PCB布線通過激光通孔,附銅連接。在應用中,在一定程度上減小了PCB電路布線的面積,只留下元器件所需的空間和尺寸。而無源器件的內置技術,將更有可能改變電路設計的面貌。微過孔電路實現了更高的密度、更輕的重量和更好的性能,但電路板本身仍是許多導線的連接體。而采用無源器件內置技術后,電路板將變得完全不同于以往。其被動器件(如:電阻、電容)將會被集成在PCB內部,而外部不會留下任何無源器件,這樣PCB的空間和尺寸會被壓縮至最小!無源器件內置是一個相對較新的概念,目前諸多公司都在接觸和研究這個新的技術,因而在國內市場上還未得到普遍應用,造成這個情況的制約因素主要有兩點:1、國內目前未有整套完整的體系去驗證該計劃的可靠性以及穩定性。2、PCB廠家的生產加工技術,需要高精密的儀器和生產技術才能配合到嵌入式PCB的設計和開發。但就算是存在著諸多難點,為什么要內置它們呢?究其根本原因無非就是電路板表面空間緊張,客戶產品在往小型化,高度集成化方向發展。在典型的生產裝配中,占生產成本很小的元件部分可能會占據PCB大部分的空間,并且這個情況越來越嚴峻。因為我們設計的產品需要支持越來越多的功能,導致其項目設計中要支持更多的功能、更高的時鐘速率和更低的電壓,這就要求有更多的功率和更高的電流。同時還需要對電源分布系統進行很大的改進。這一切都需要有更多的無源器件(如:電阻、電容),而無源器件的增加,勢必會占據相當大一部分PCB空間。無源器件內置的優勢:      1、 節約了寶貴的電路板表面空間,縮小了電路板尺寸并減少了其重量和厚度。      2、 嵌入的方式由于消除了焊接點,因此減少了引入的電感量,從而降低了電源系統的阻抗,可靠性得到很大提高(焊接點是電路板上最容易引入故障的部分)。      3、 無源器件的嵌入將減短導線的長度,并且允許更緊湊的器件布局,從而提高電氣性能。嵌入式電阻:目前市場環境中某些制作嵌入式電阻PCB的方式是采用雙金屬層結構——銅層與一個薄的鎳合金層構成了電阻器元素,然后通過對銅和鎳的蝕刻,形成具有銅端子的各種鎳電阻,并且直接與布線相連接,然后這些電阻器被層壓至電路板的內層中。該技術已經被應用于通訊設備中,如:衛星、基站。而在醫療電子設備、航空電子設備和電腦設備中也得到了應用。嵌入式電阻不僅可以節約空間、減少重量和尺寸。同時也可以提升電子性能。日本專業電阻生產商KOA在電阻行業有長達60年以上的生產和研發經驗,對應著新型PCB工業的技術,當然也不會落后,其XR73系列電阻,可以完全內嵌于PCB設計的電路中,并擁有很好的公差和其他標準的電阻特性,XR73系列電阻為一個單獨的抵抗體,較上述部分的嵌入式電阻方式,在阻值誤差,溫漂,以及一些噪聲和各批次間的一致性身上有著獨特的優勢,因為XR73是個完整的個體,是采用標準的電阻生產技術來完成的,其溫度控制和功率控制,以及阻值控制部分都存在著很大的靈活性,并且該系列嵌入式電阻的應用,可以在寬大的雙面銅電極上直接進行微過孔連接PCB的布線,所以輔助PCB的印制,少了很多工序,可以直接層壓到PCB中。如下為KOA XR73的基本框圖以及相關的尺寸:                                可以從圖中看出,其內部架構,保護膜,基本散熱部分,電極部分都是十分的完整。并且其中有兩個部分有著和突出的表現:1.     面積很廣的雙面電極。2.     非常低的厚度值,可達0.14mm.在嵌入式無源器件PCB中采用該系列的電阻應用有著如下的優勢:1、高集成度。該系列應用通過三維可視化的安裝方式較普通的SMD貼片有高精準性和穩定性的優勢。2、高散熱性。大家熟知,如果嵌入式電阻的溫升過高,將會造成整塊PCB的熱量過大,后續不得不借助外圍器件散熱,而XR73系列在溫升控制方面非常優秀,采用導熱率高的樹脂充當電阻外層的保護膜。          3、高可靠性:將電阻層壓至PCB中,而PCB外層相當于電阻的物理環境保護膜,所以對電路的穩定性有很大的提升。     4、高優異抗彎曲性及抗震性。內嵌式電阻較大的弊端的一部分在于電阻一旦潛入在PCB內部,它的電極部分被固定,當熱脹冷縮,和外部高強度機械應力彎曲電路板時,會對內嵌的電阻有個非常嚴峻的考驗, XR73系列采用了相關的技術能夠承受一定程度的彎曲和熱脹冷縮考驗,并且KOA內部的測試針對該項目的要求也十分嚴格,采用大批量的彎曲0mm~1mm,0mm~5mm規格,測試后電阻的誤差必須控制在公差范圍內。5、非常優秀連接性。 在上文中也提到過微過孔技術,內嵌式電阻再加上微過孔技術,不僅可以將電阻內嵌在PCB中,并且PCB還可以多層化,而這樣就會更加節省空間。XR73系列最大亮點在于,它是雙面電極,并且電極部分是由Cu制成,具有很強的抗震性,而這一特點有著非常顯著的應用---那就是XR73系列可以在電阻的電極上實施微過孔技術的同時與多層PCB的連接。   總結:    其無源器件的嵌入式PCB,將會是一個趨勢,目前國內諸多的電子產品和一些終端設備的研發和制造商,都非常關注這個領域,將其作為一個技術的貯備,不斷的去探索。嵌入式PCB可能較普通PCB的生產成本會提高,但是其對設計的改進(更小的尺寸,更少的層數,更輕的重量),安裝費用的節省(從雙面安裝變成單面安裝),以及帶來的性能提升都應該被考慮到。隨著工藝的進步、產量的增加以及競爭方的合并,成本必然會下降,應用也將會更廣泛。
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EncoderBlue goes reflective—— iC-PR Series
新產品:iC-PR 系列 藍光反射式編碼器       iC-PR系列是一個先進的光學,反射式,無透鏡的編碼器,具有集成的高密度相控陣光電傳感器和一個藍色LED。芯片提供高信號質量與寬松的裝配公差。差分數字ABZ輸出有或沒有插值,或輸出模擬SIN/COS帶索引可選擇使用。典型應用于電機控制的增量編碼器。藍色增強的光電傳感器適應嵌入的短波長藍色發光二極管,并提供低抖動輸出由于提高了信號對比度。獨特的藍色發光二極管和傳感器裝配技術以致具有低光學串擾。 特征無透鏡反射式光電編碼器芯片,緊湊,高分辨率,增量合適的反射式編碼盤Ø 4, Ø 14, Ø 26 和Ø 43 mm單片高密度相控陣列具有良好的信號匹配性能集成藍色LED具有功率控制功能,EncoderBlue ®低噪聲信號放大器具有高EMI容忍引腳可選操作模式:數字A / B / Z(x1,x2,x4、x8、x16的插值);模擬COS / SIN帶用模擬或數字Z信號索引選通:不選通( 1 T ) ,B選通(0.T),AB選通(0.25 T )引腳可選擇最小邊緣距離:80 ns, 1 μs, 10 μs互補正交輸出 PA, NA, PB 和 NB互補索引輸出 PZ 和 NZ模擬信號輸出便于裝配對準和通過外部插補器提高分辨率工作溫度范圍:–40℃ ~105℃緊湊無透鏡optoQFN封裝(4 mm x 4 mm x 0.9 mm)可提供評估套件 應用增量編碼器微型馬達和執行器X-Y和線性應用工廠自動化機器人消費機器人
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17位絕對值磁編碼器-MU1C離軸電機反饋模塊
MU1C離軸電機反饋模塊應用旋轉編碼器電機反饋運動控制 特性磁性離軸絕對位置編碼器模塊17位位置數據輸出通過BiSS/SSI快速串行接口正交ABZ信號輸出通過RS-422線驅動器iC-HF或Sin/Cos輸出通過線驅動器iC-MSA可編程分辨率1到32,768 (FlexCount)位置預置功能旋轉速度達12,000 RPM5V電源供電具有反極性保護工作溫度范圍 -40 °C 到80 °C評估板套件包括磁碼盤MU2S 30-32N和線纜配置用戶圖形界面軟件帶自動校準功能 方框圖
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iC-MU150離軸磁性游標編碼器 - 極寬1.50 mm
iC-MU150特性集成霍爾傳感器雙軌道掃描霍爾傳感器優化為1.50mm極寬(主碼道)信號調節偏移、幅度和相位12位分辨率的正弦/數字實時轉換(14位過濾)2軌道游標絕對值計算高達18位16、32或64極對測量距離使用兩個iC-MU150增加測量距離與外部多圈系統同步從外部EEPROM使用多主機 I2C接口配置兼容的微控制器串行接口(SPI,BiSS,SSI)增量正交信號帶索引(ABZ)FlexCount®:靈活的分辨率設置從1到65536CPR 應用旋轉絕對值編碼器線性絕對尺度單圈和多圈編碼器電機反饋編碼器無刷直流電機換向空心軸編碼器封裝:方框圖方框圖:
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High-Precision Sine/Cosine Interpolation
高精度-正弦/余弦插值細分法現有的驅動控制器需要配備有高分辨率的磁電或光電定位傳感器以實現速度控制或者定位的功能。所使用的傳感器需要專門配備集成電路,用于傳感器信號的調節以及正弦/余弦信號向數字信號的轉換。此份白皮書描述了"細分器"在正弦/余弦信號向數字信號轉換(S/D轉換)的方法以及相關技術挑戰,其同樣也討論了與傳感器相關的測量誤差以及對其補償措施,并展示了最新的芯片解決方案以及如何對其進行選擇。目錄:1.  正弦/余弦信號向數字信號的轉換方法..........21.1 快閃型(Flash) 轉換器.......................21.2 矢量跟蹤轉換器.............................31.3 采樣保持型的SAR轉換器......................41.4 持續采樣A/D轉換器..........................41.5 插值細分組件對比...........................52.  帶有示例的測量誤差.........................62.1  信號調節的概念............................93.   總結......................................134.   參考文獻..................................13 白皮書正弦/余弦信號向數字信號的轉換方法高精度的磁力或者光電傳感器[1]可以將角度信息或者長度信息以90度角的形式進行編碼并轉換為正弦或者余弦信號。其中使用細分器進行非線性的A/D轉換,其用于將正弦/余弦信號轉換為轉角階躍(參見圖1),其可以用增量信號也被稱為正交信號進行展示,也可以用絕對數值字段進行展示該字段所表達的正弦信號的相位角。圖1:通過”細分器“的角度轉換非線性轉換函數通常使用反正切函數,這樣相位角PHI可以直接從正弦和余弦電壓中獲得。多種A/D轉換概念可應用于:快閃型轉換器,例如iC-NV,使用了多個獨立的比較器;矢量跟蹤轉換器,例如iC-NQC以及iC-MQF,其僅配備了幾個比較器,用于對控制器在向上或者向下的方向上進行初次信號采集,然后對所輸入的角度進行跟蹤;SAR轉換器,例如在iC-MR中提及的,在基本原理上與矢量跟蹤轉換器相似,但會保持輸入信號直至獲得相應的計數值;使用線性A/D轉換器(例如:在iC-TW8中使用的)也可以進行角度計算,其中該A/D轉換器可以分別將正弦和余弦信號進行數字化處理.  完全集成了磁電和光電感應的單芯片編碼器,例如iC-MU或者iC-LNB,使用矢量跟蹤轉換器來實時提供位置數據[1,2]。1.1 快閃型(Flash) 轉換器圖2展示了一種帶有多個獨立比較器的快閃型轉換器,在不同正切函數閾值時進行切換。至少一個比較器用于定義一位角解析度,也意味著對其配備的硬件要求非常高,所以需要使用很大的芯片面積–除非放棄精密電路。因此,這種形式適用于較低分辨率同時精度要求也并不是特別高的方案。 圖2:快閃型轉換器快閃型轉換器有很多優點:其比較器可以并行工作并且幾乎同時完成信號轉換。由于在建立穩定的過程中會形成轉換毛刺,因此使用了邊沿距離控制的專利技術用于建立均衡。當連續邊沿到來時,如果其間隔過近會推遲,則會產生一個可計數的輸出信號-電路起到濾波器的作用,而且未受干擾的輸入信號在通過時并不會產生延遲,也就是說該濾波器的作用不會產生任何延遲效果。快閃型轉換不需要進行采樣。因此,由于產生的正交信號不會和任何時鐘信號同步,所以此信號帶有“模擬的”抖動特征–這種特性對于速度控制非常適用。典型應用于光電或磁性電機編碼器。1.2 矢量跟蹤轉換器矢量跟蹤轉換技術主要應用于進行更高的解析(參見圖3)。其配備有一個初級比較器,該比較器用于控制計數器向上或向下計數。數字計數器將數值輸入一個D/A轉換器并生成模擬正切信號。該正切信號同余弦信號混合,并生成一個正弦信號-然后將正弦信號進行對比。圖3:矢量跟蹤轉換 白皮書當系統穩定后,計數器包含相位角并且逐步長或者說逐比特位的記錄每一個輸入信號的變化。這個過程中不會產生階躍。矢量跟蹤轉換器的優勢是該系統的功能與時鐘無關,系統僅在輸入發生變化時才會被觸發,這樣可以縮短系統的延遲時間。由于該系統僅需要一個比較器,因此其設計可以做到更加精密。潛在的電路中的偏移誤差會以同樣的方式對所有切換點產生相同影響–可同遲滯現象比較–因此該系統在精度方面也具備一定優勢。跟蹤轉換器輸出遞增信號時會產生相應的模擬抖動。當達到可調的最高跟蹤速度的限制時,時鐘同步影響才會顯示出來,例如在輸出信號時發生故障。基于實時以及高解析度的特性,該類型轉換器被作為線性位置測量系統的首選。1.3 采樣保持型的SAR轉換器 對于不需要輸出遞增信號的絕對測量系統來說,圖4所展示的采樣轉換器是一種合適的選擇。SAR(逐次逼近) 轉換器的工作原理同矢量跟蹤轉換器原理相似,不同的是逐次逼近寄存器可以更快取得相近的相位角,因為其步長可以更大且工作時不需要逐比特位進行跟蹤。圖4:采樣保持型的SAR當受到外部數據請求觸發時,系統通過采樣保持電路對輸入信號進行凍結。在該系統中,模擬信號的穩定時間主要決定了轉換的速率和精度。此類型的轉換器通常應用于電機控制系統以及逆變器等對于角度信號有較高解析度要求的系統中,其可以對模擬編碼信號或者位置編碼信號進行處理。1. 持續采樣A/D轉換器典型的方法:iC-TW8使用持續運行線性A/D轉換器(圖5)然后對相位角進行計算。該系統的優勢在于數字信號處理:信號誤差既可以通過一次性按動按鈕進行初始化校準后消除,也可以持續的通過自動傳感器漂移補償進行校正。圖5:采樣A/D轉換器信號濾波的使用使得解析度超過實際可用A/D轉換器解析度成為可能。合成產生的增量輸出信號的完美占空比為50%并且幾乎沒有抖動。但是,在系統控制時也需要考慮對由于信號處理所導致的幾微秒的恒定延遲時間。該轉換器主要應用于高解析度的線性測長儀以及受益于提供自動信號校正的旋轉式編碼器系統。插值細分組件對比 無須贅言,使用什么種類的轉換器由其應用范圍決定:選擇跟蹤轉換器iC-NQC以及iC-MQF的原因是因為其具有實時的特性,最小延遲時間不超過250 ns,這通常通過模擬路徑運行時間決定。對于采樣轉換器iC-MR和iC-TW8來說,測量數值時的穩定時間(參見表1)至關重要,其決定了可能實現的采樣率。iC-MR可以在2微秒內使用13bit對角度位置進行解析,而連續運行轉換器iC-TW8需要24微秒并采樣6個樣本用于更新位置數據。另一方面,如果速度是恒定的,iC-TW8可以通過可調的數字濾波器將現有的延遲期降低到4微秒內。和旋轉變壓器的處理一樣普通,然而輸出位置信息能在相當短的時間內追趕輸入角度。表1:轉換特性白皮書 除解析度外,同樣需要考慮精度,轉換器的精度不僅同A/D轉換器的處理器質量相關,同時也與信號調節的范圍值相關。每個針對信號路徑進行修正的D/A轉換器都需要預留芯片面積,相應的也會導致成本的增加-因此對于電路設計者來說需要進行優化設計。表2中器件比較顯示iC-MQF轉換器的解析度與iC-NQC的解析度相比要更低。不過,由于具有更精密的分隔信號調節,因此其精度更高。安全導向的編碼器系統需要一些附加功能:iC-MR器件具有特殊的診斷功能,例如:信號和溫度監控,內存檢查以及錯誤模擬。對于控制器通訊,一個并行接口以及多個串行接口都可用。通過設置BiSS C上的位置數據輸出,可以增加安全計數數據及擴展至16位CRC校驗。表2:操作特性2.      帶有示例的測量誤差如有必要,需要對圖6中示例指示的在磁環掃描過程中使用磁阻傳感器導致的測量誤差進行考慮。 圖6:帶有誤差源的應用實例 白皮書 潛在的誤差源可能是:不精確的磁化測量目標磁阻傳感器偏移或者幅度導致的信號誤差不精確的傳感器位置對齊導致的正弦/余弦相位誤差錯誤調節或調節不足導致的信號誤差不精確轉換導致的測量誤差如果沒有相應的抵消措施,會產生錯誤的插值細分結果,因此增量輸出信號明顯抖動較強。一方面機械角度變更導致的輸出抖動是可以接受的,但是另一方面由于測量系統誤差導致的抖動是無法接受的-令人遺憾的是,無法對這兩者進行區分或者匹配。因此,對于潛在誤差源的精確認識是非常重要的。角度計算公式表明了我們需要對哪些信號誤差進行考慮:公式:通過反正切函數的角度計算 與其相關的誤差源有:偏移電壓,與理想相位差之間的偏差,正弦與余弦幅度之間的偏差,可能的諧波波形扭曲。因此,我們需要知道這些信號誤差是否需要進行“調節”或者該誤差可以被忽視。 三個案例估算對調節精度的要求:磁性,同軸,1CPR:0.1度(12位)精度:       要求信號誤差磁性,離軸(32對磁極),64CPR:0.1度(12位)精度:       要求信號誤差光電,離軸,2048CPR:20秒(16位)精度:       要求信號誤差 白皮書 案例1:如果期望機械角度精度為0.1o(12位/每轉)同軸霍爾傳感器系統,每轉提供一個正弦周期信號,那么可以推斷出每個信號誤差必須低于0.2%。盡管人工手動調節非常費時且對于現有的測量設備也是一個很大的挑戰,但是仍然可以實現精度調節。調節工具參見:http://www.ichaus.de/tools適合的器件:iC-NQC,iC-TW8,iC-MR 案例2:使用磁阻傳感器采樣磁環時,可降低對插值細分深度和技術上信號精度的要求。盡管如此,更加精確的調節仍然需要依賴于測量目標磁化的精確程度。輸入頻率隨著極數的增加而增加-由于插值細分倍數的減少,因此其對于矢量跟蹤轉換器來說也并不是問題。適合的器件:iC-TW2,iC-MQ,iC-NQC,iC-TW8。 案例3:關于光電編碼器系統,例如2048正弦周期每轉,應該進行更精確的解析,其對于信號調節的要求似乎并不是特別高。但是,通常光柵誤差一般已達到最大允許測量誤差,這樣額外的信號調節誤差就無法接受了(參見表3)。因此,由于較高的輸入頻率,對于細分電路的要求變得相當高。采樣組件例如iC-MR是必需的。表3:與校準相關的角度誤差 白皮書 2.1 信號調節的概念 為獲得較好的細分結果,傳感器信號需要進行調節[3]。器件iC-MQF及iC-MR應用于模擬前端(AFE,參見圖7)用于信號調節,其通過多個D/A轉換器進行調節。與之相對,iC-TW8使用自身調節數字信號校準。 用于信號調節的模擬前端(AFE)圖7:用于信號調節的模擬前端精密儀表放大器提供了一個粗糙的放大信號用于信號適應,同時通過精細調節器平衡信號差異。進一步通過D/A轉換器在前端進行偏移校正,其可以根據信號跟蹤校正。前端可以測量信號中的DC部分或傳感器供電作為參考信號。另外,電流控制器可以提供一個穩定的條件,例如通過為磁阻傳感器供電或為光學系統中的LED供電。此處的優勢在于,如果在室溫下進行調節,校準精度不會隨溫度的變化而變化。 關鍵特征:集成的電流/電壓轉換器以及電壓分配器已校正偏移的儀表放大器獨立的可粗調或微調的放大因子通過跟蹤偏移參考進行傳感器漂移補償通過調節傳感器供電實現信號穩定(總計值或者李薩如圖)白皮書 數字信號校正 在模擬路徑中,iC-TW8僅具有粗放大和粗偏移調節器,以便使輸入信號處于A/D轉換器的最佳工作范圍中。(參見圖8)圖8:帶有A/D轉換器的PGA 前端以及數字信號校正器相應的,僅有數字信號進行校正計算。可以通過一個精密的漂移監控器對出廠校準進行評估偏差,用于設置警報。角度位置通過CORDIC算法(坐標旋轉數字計算法)進行計算。 關鍵特征: 可調的粗放大因子(6 到45dB,3dB每步)可調的模擬偏移校正(100mV每步)數字偏移以及偏移漂移校正(244μV每步)對幅度差的數字補償(0.02%每步)數字相位校正(0.056o每步)概念優勢兩個概念都展示的優勢:電源接通后,當系統處于停止狀態時,模擬信號路徑已校正穩定,因為傳感器供電在校準時已調到最佳信號狀態。在信號路徑上沒有額外的延遲時間,因此可以很快地獲得細分結果。對于初始化出廠校準,可能需要配備自動的測量設備。數字校正利用現有的運動,要么通過最初定義的最合適的靜態適應,要么在應用中對其動態漂移進行長期不斷的補償。校準的測試設備不是必須的,且可以通過自動方式或按動按鈕進行現場重新校準。這有利于由客戶自行安裝的模塊化系統。表4顯示關于實現的補償功能的器件對比白皮書 器件特征概覽 iC-NQC 13位信號調節插值細分芯片 實時增量輸出BiSS絕對接口具備周期計算BiSS從機BP1,SSI   iC-MQF 可編程帶RS422驅動的12位正弦/余弦插值細分芯片實時十進制增量RS422故障保險傳感器供電控制白皮書 iC-MR 帶控制器接口的13位采樣保持正弦/余弦插值細分器 BiSS或嵌入式單圈和多圈處理安全監控特性 關鍵特性: 快速采樣保持細分:2us,精密信號調節,源控制輸出(ACO),1Vpp線驅動輸出,并行8位單片機接口,串行接口(BiSS/SSI,SPI),I2C,12位A/D轉換器(溫度感應)安全特性iC-TW8 帶有自動校準16位正弦/余弦插值細分器自身校準單次/不斷完美增量信號 關鍵特性:250ksps,16位,恒定延遲時間(24us),延遲恢復到4us(伺服環路),二進制/十進制0.25倍至16384倍,后置AB分配器[1/1到1/32],輸入頻率125kHz,A/B/Z 8MHz,最小邊沿距離tMTD 31ns,自動偏移,放大,相位,按鈕校準,通過LUT進行扭曲補償,信號質量監測,使用引腳設置,I2;C,SPI,3.3V(15mA),5V白皮書 3.   總結使用不同方式對S/D轉換器進行了展示,專門為插值細分,在選擇最優解決方案時應考慮多個重要準則。本章的表格[4]包含最新芯片解決方案,也可以在線下載。4.參考文獻[1] EncoderTechnologiesinComparison:Magneticvs.Optical,Elektronik10/2012[2] 18BitAbsolutEncoder-IC,ElektronikIndustrie03/2012[3] EasyConditioningandSafeTransferofSensorSignals,Elektronik Industrie4/2010[4] ProductSelector Interpolator IC 關于iC-HausiC-Haus GmbH是一家行業領先獨立的德國制造商,為標準集成電路(ASSP)和定制ASIC半導體提供解決方案的全球代表。30多年來,公司一直致力于在工業,汽車,醫療應用的專用集成電路的設計,生產和銷售。iC-Haus在CMOS技術,雙極技術以及BCD技術方面的單元數據庫專門用于設計實現傳感器,激光/光學以及驅動器ASIC。集成電路組裝在標準的塑料封裝內,或使用iC-Haus板上芯片技術制造完整的微系統,多芯片模塊,和連同傳感器的optoBGA / QFN。更多信息請訪問:http://www.ichauschina.comhttp://www.ichaus.com
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About Safer Cars FET Drive Applications
   根據IEC 61508和ISO 26262實現功能安全解決方案會影響整個工程過程從集成電路的設計到加工和質量管理。新的ISO 26262標準的目的是在汽車的每一個單一功能實現可比較的和獨特的風險評估。本文概述了與微控制器平臺及其周邊的情況,還分析了功率FET的功能保護特點。     在汽車領域未來大多數的創新將圍繞新的電子系統,例如電子轉向(X-by-wire),制動輔助系統(BAS),電子差速鎖(EDS)和完整的電力驅動(混合/電動汽車)。這又反過來增加了我們對電子裝置功能安全的依賴,在混合動力汽車或電動汽車達到了新的高度。到現在為止,不斷提高質量設法保持在一個高等級的可靠性–盡管越來越復雜的設計和大量的電子子系統內置到每個汽車。電子安全相關功能的使用,如轉向,操作,和自動制動,要求這些過程的功能安全并且不造成損害,即使當一個簡單的故障發生。2004年它成為必要的責任,因為IEC 61508適用于所有與安全相關的開發。特別是關于汽車工業,ISO 26262管理著功能安全,目前正在標準化并在未來兩到三年生效。這個新的國際標準作為客觀的文件, 在每一個車輛功能具有可比較的和獨特的風險評估。  本質安全硬件  多年來,安全的ASIC /定制芯片設計的特點是ABS和安全氣囊系統的要求,是最先進的技術。然而,如果我們看一看在汽車電子基于微控制器的平臺,情況是非常不同的。圖1是一個總框圖顯示在汽車中的一個電子控制單元。除了電池供電,單片機是中央單元處理本地的傳感器信號,與其他子系統通信,并通過功率單元激活執行器。在安全控制器軟件已經有了長足的進步,設計加工管理,和AUTOSAR汽車電子通信系統,汽車SPICE / CMMI和FlexRay。也有一些微控制器已經或即將進入市場,將能夠滿足ISO 26262的要求ASIL D(汽車安全完整性等級D)。至于硬件設計而言,這幾個方面是目前的焦點:電壓監控,傳感器邏輯和功能的監控,傳輸路徑,其次是功率單元的完美驅動。傳感器可以被監測通過硬件和微控制器軟件的邏輯。對于傳輸鏈接,合適的協議有助于可靠地識別并且可能糾正這些故障。功率輸出級的設計是一個特殊的挑戰,例如,在執行器的狀態回讀冗余可能極具成本約束。圖1:汽車電子控制單元總體框圖單片機和控制單元之間的接口  我們的目標是安全操作功率單元使用來自微控制器的輸出信號。對日益復雜的微控制器趨向于具有較低和更低的功耗,導致了較低的電源電壓,較低的核心電壓,和較輕的I / O電壓在輸出低額定負荷。在復雜的微控制器, I / O 電壓現在一般是1.8 V 到3.3 V。這抵消了不斷增長功率單元的需求–也長期作為48V車載電源,旨在降低電流和電纜損耗。電子驅動,如轉向或剎車,在發生故障時非常關鍵。這里,ISO 26262定義了四類風險(ASIL A至D),考慮到具體的安全要求和定義的最大允許的失效概率。要求通過技術解決方案,降低風險。具體而言,這意味著關鍵的故障必須被檢測并主動預防故障。功率FET完美的激活是這樣非常的重要。當然也適用于FET驅動器,這是單片機和功率輸出之間的主要環節。當設計FET驅動器,非常重要包括所有的設計參數。下面是典型的: 1.錯誤監測(從輸出端之間連接的GND或VCC缺失)2.驅動電源和啟動特性(例如單片機I/O三態)3.需要邏輯電平轉換(例如1.8–5 V至5 V或10 V)4.注意功耗,負載電流,和開關頻率。  當評判一個驅動器的安全功能,主要關注的是第一級的故障檢測和電路如何反應:1.由于印刷電路板或元器件的缺陷缺少接地2.電源電壓缺失或波動3.兩個輸出連接/短路4.外部突發瞬變5.輸出過載和超溫圖2:從FMEA摘錄  本次評測將自動導致一個FMEA或失效模式影響分析。這樣做的目的是為了系統地記錄可能發生的事情和必要的測量,按照IEC61508和ISO26262實現功能安全。在驅動級應用FMEA   FMEA試圖描述哪一個元件功能和潛在的故障或失效可能發生。失效的原因和影響進行了分析和評估,對整個產品和用戶具有重要的意義。接下來的問題要回答的是如何可能會出現故障–以及如何檢測和防止以避免任何進一步的損害。這些詳細的分析記錄,成為任何集成電路設計規劃的一個組成部分。他們當然也集成在生產過程中,集成電路測試,和產品的質量保證。通過舉例的方式,圖2給出了一個廣泛的FMEA用于FET驅動器的第一頁資料。預防潛在的錯誤是首要的和最重要的,是在產品和之后的操作中具有可靠的檢測。FMEA可用來確定潛在的關鍵錯誤,他們如何確定,以及如何避免其影響。這些信息直接影響到后續的IC設計。 FET驅動器功能安全的一個例子  這些具體的安全措施,通過從一個安全FET驅動器系列的IC模型舉例詳細解釋。圖3給出了一個NMOS邏輯FET驅動電路的原理圖(例如,IRL44N),使用 iC-MFL作為一個驅動器。在發生錯誤的情況下IC必須防止NMOS邏輯FET通過一個邏輯信號激活。與所述第一級的故障,驅動器輸出必須保持在一個安全的低電平。除了基本功能,電平轉換(從1.8 V–3.3 V至5 V),功率FET輸入驅動器,iC-MFL的設計保護措施,防止下列錯誤:1.IC缺少GND或VCC2.輸入開路(例如電纜斷裂或單片機I/O口三態)3.兩個輸出短路    最嚴重的情況是地或電源電壓VCC的缺失,其中一般標準的FET驅動器不能保證在輸出為安全低。除了傳統的VCC或電源監控,接地監控能力也被包括在器件中。如果地的連接被中斷,沒有這些措施無明確潛在的比率可用于內部邏輯,外部FET通過從IC內部電路將被激活。該器件具有兩個地(GND和GNDR)。   如果一個連接中斷,監控識別故障并關閉輸出級。如果VCC中斷,輸出也明確由一個值約30 KΩ的內部下拉電阻連接到地,從而切換到一個安全的操作模式。為了增加安全性,所有輸入具有施密特觸發級和下拉電流。在單片機的啟動階段,這期間所有的I/O端口三態,這些下拉電流保證了規定的FET驅動器的輸入狀態。FET驅動器輸出是有效的推/拉電流源,其中拉側連接到地比推側強。如果外部兩個輸出短路,其中一個驅動高電平和另一個為低電平,芯片輸出為低,并保證一個低的電平。輸出具有防過壓保護他們免受突發瞬變(18 V,100 ms)。   FMEA也可以在其他情況下使用,如PMOS-FET驅動電路,或其他輸入和輸出電壓范圍,實現相同的單一故障保護。為了NMOS-FETS和PMOS FET安全驅動,器件提供可調節輸出電壓范圍5 V,10 V和滿幅度電壓。上面的例子只是說明了在工作過程中防止故障措施,并且由IC設計直接影響。圖3:安全功率FET驅動電路前景   如圖所示,實施功能安全系統根據IEC 61508和ISO 26262影響整個工程過程,從集成電路設計到加工和質量管理措施的展開。這將必然導致各部門作為一個團隊在一起工作,為項目開發做出所需持久的和巨大的努力。相應的分析是必要的,在電子工業和其他子領域。    當然也適用于完整的系統級別,例如轉向或制動系統。這是可以預期的,安全功能將日益成為在汽車行業和工業環境的標準。 
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Encoder Blue
iC-Haus 使編碼器呈現在藍光下使用藍色 LED 實現一種創新飛躍的單芯片光電編碼器iC-Haus 開發用于光學定位編碼器的傳感器芯片,該芯片搭載了專門針對藍光設計的光電二極管。產品圖片:Encoder blue 器件體積小巧的optoQFN 封裝形式:下載文本及圖片:http://www.ichaus.de/iC-Haus_Encoder_blue_newsrelease_cn  藍光的較短波長以及較淺射入深度可以有效地提升增量式編碼器和絕對式編碼器的性能,例如:分辨率,信號幅度,諧波失真以及抖動性等。同其它波長較長的光線相比,藍光在相同的間隙寬度下可以產生更小的衍射,因此可以產生更清晰的圖像。     現代半導體工藝使加工更加精細的平面結構成為可能,其可以利用藍光的射入深度淺的優 點提高效率。同時精細的結構也允許光電二極管使用交錯布局,這樣可以降低編碼器正余 弦信號的偏移。同時對光敏感區域的高填充因數可以通過等效幾何變換來實現。  藍光LED是白光發射的基礎,汽車工業和照明技術對于白光發射器都有著極高的需求。目前,具備較好恒溫和長期穩定性的藍光  LED已經可以使用,由于藍光LED具備更高的產光率和更高的效率以及更優惠的價格,因此目前使用于編碼器中的IR或者紅光LED與藍光LED相比,在一定程度上就顯得相形見絀了。隨著LED技術和CMOS技術的進展,光學定位傳感器在這方面受益顯著。iC-Haus 對自己生產的高分辨率iC-PTH系列的新型增量掃描器進行優化,尤其在藍光方面。同時為該類型的單芯片編碼器的集成平臺注冊了Encoder blue商標。  iC-PTH系列的新型編碼器芯片將掃描優化和信號插值細分結合起來,集成在極小的可用空間:帶窗口的5x5 mm2optoQFN封裝。通過對光學芯片的相位陣結構進行優化,僅用掃描最小面積  1.9 mm x 3.1 mm 和一個直徑僅26mm的碼盤就可以生成每轉10000個脈 沖。  藍光可以降低噪音,提高信號對比度,同時可以通過提升效率減少光學系統的電流消耗。  該芯片可以輸出帶零位的低抖動編碼正交信號,并通過4mA推挽式驅動器以單倍、 雙倍或四倍細分分辨率進行精確的機械控制。同時,在電機換向控制中使用集成的附加三通道掃描,替換了常規的霍爾傳感器。在這里,碼盤定義換向信號,調整碼盤就可以很容 易使信號與電機的極對數相適應。  零位信號寬度和細分解析度可以簡單地通過芯片引腳進行選擇。允許輸出頻率上限至1.6MHz,這樣可以實現每轉10000脈沖、電機轉速達到約10000rpm的電機控制。可以激活模擬測試信號,以易于位置對齊和測試裝配校準。  掃描面積小和高敏感度有助于減小編碼器自身所需能耗,5V電源只需產生僅僅幾毫安的操作電流。可以有效提升LED的壽命,特別是在電機處于較高運行溫度的情況下,該IC-PT?芯片可以調節LED電流,同時對由于老化或者溫度影響造成的變化進行補償。 iC-Haus 提供帶有塑料碼盤、傳感器芯片和可插拔的藍光LED的評估套,可插拔藍光LED 可用來與使用紅外光源的信號質量進行直接比較,且對其優點進行判斷。在進行系統設計時需要考慮使用較高的藍光LED的正向電壓,以及在編碼器中使用的材料的穩定性。  Encoder blue正由知名的編碼器生產商進行集中測試和認證,并且有望近期至少在高解 析度產品方面替代目前的紅外LED和傳感器芯片。欲了解更多信息,請登錄 www.encoderblue.com 關于 iC-Haus iC-Haus GmbH 是一家行業領先獨立的德國制造商,為客戶提供標準集成電路(ASSP) 以及針對客戶定制的專用集成電路ASIC 解決方案。30余年來全球范圍內,iC-Haus 一直致力于工業、汽車以及醫療領域的特殊集成電路的應用開發。iC-Haus在CMOS 技術、雙極技術以及BCD技術方面的單元數據庫專門用于設計實現傳感器、激光/光學以及驅 動器ASICs。   芯片裝配有標準的塑料封裝,或為了完整的微系統使用iC-Haus的板上芯片封裝(COB)技術,多芯片模塊,或搭載了傳感器且使用  optoBGA 或optoQFN 的封裝。更多信息請訪問:http://www.ichauschina.com 更多問題請詳詢:Horst Huse電話:+49 8762 2850                          網站:   http://www.ichaus.biz傳真:+49 8762 2805                          郵箱:   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
集成光編碼器用于BLDC 電機反饋  在工業大多數的電能損耗來自大型電機和固定速度的驅動系統。因此,能效運動控制系統應適應未來實際負載需求應用。BLDC電機滿足這一要求通過電子換向和調速控制。電機磁極繞組換向在最佳的轉子位置的是非常重要的,用于減少電損耗當使用可變轉速和負載的情況。轉子位置反饋可靠性是很重要的,對于運動控制系統的性能。它允許定子繞組精確的換相,最大限度地減少電機電損耗。通常在120°相移UVW 信號用于激活BLDC 電機驅動器的換向。不同的選項可產生UVW信號。這可以使用霍爾傳感器或開關,可以組裝在繞組中或安裝在一個小的PCB 上面;計算軟件基于反電動勢數據從定子繞組;連接在電機軸上的光學或磁編碼器;或先進的單片光學或磁編碼器芯片集成電機外殼當中。霍爾傳感器或開關廣泛用于BLDC 電機,由于其低元件成本。這種方法需要有效的算法來計算UVW,從測得的反向電動勢。同時快速微處理器或DSP 需要減少執行時間和減少額外的延遲時間。這種方法的局限,UVW信號的產生可以在快速負載變化,在低轉速和在同步操作上觀看到。硬件中檢測轉子的絕對位置被認為是最可靠的選擇。連接在BLDC 電機上的光學或磁性編碼器是有利的,當需要高精度動態定位,如果應用對成本不敏感。選擇磁/光學電機編碼霍爾傳感器用于換向  在一個BLDC 電機使用三個分離的霍爾傳感器/開關產生UVW信號基于傳感器的安裝位置,無論是在定子繞組,或組裝在小PCB上,0°,120°和240°,位置相對轉子永磁體。在某些情況下,一個磁極環連接到軸可以用。圖1 的左邊顯示了三個霍爾傳感器/開關的機械位置,用于UVW信號的產生。UVW信號定位精度與關的轉子實際位置取決于安裝公差與配合霍爾傳感器/開關的靈敏度和穩定性。磁場變化很多,由于超溫,轉子速度和操作壽命(永磁老化),位置誤差很容易累加+ / - 3°或更多。另一種方法使用四個集成霍爾傳感器并且信號調理生成正弦/余弦信號,其中在360°轉動角度位置是連續可用的。圖1的右邊顯示了霍爾布置。一個小的永磁鐵直徑在4-6mm連接到轉軸,通過集成霍爾橋采集產生循環變化信號。傳感器裝置允許產生一個差分正弦/余弦信號,對普通的磁場是不敏感的。正弦/余弦信號然后可以通過一個正弦-數字轉換器轉換為絕對位置值。這種插補通過計算正弦值除以余弦值的反正切。它提供了轉子的絕對位置,可配置6~12位分辨率。圖 1: BLDC電機位置檢測的選擇用于換向  現代混合信號集成的研究進展,讓霍爾陣列加上所有的正弦/余弦信號調理和插值用于絕對位置,能夠在一個編碼器IC集成。代替三個分離的霍爾傳感器/開關,一個單一的5x5mm封裝可以組裝在同一個PCB上(參圖1)。該Z 信號標志轉子的零位置,允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置,在電機控制和運動控制系統。從絕對位置也可以產生增量ABZ信號可用于監測快速位置變化,以非常低的延遲。圖2顯示了上/下AB信號編碼,用于增量操作。當電機的方向反轉AB信號改變其相移。該Z信號標志轉子的零位置,允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置,在電機控制或運動控制系統。用正弦/余弦到UVW,插值單元的換向信號可以產生兩個,四個或多個磁極電機類型。在這種情況下,每個換向信號偏移了66°相位。它可以直接控制BLDC驅動單元用于塊換向。它也可以通過電機控制器用來產生正弦波換向。一個集成的單芯片磁編碼器通常有多輸出選項,用于電機控制器或高級運動控制器。但進展遠落后于當前的需求。圖2: 通過正弦/余弦產生UVW和ABZ提出了通過單芯片編碼器集成單芯片編碼器一體化的進展,使一個完整的“片上系統”具有多個輸出選擇用于BLDC 電機。圖3顯示了BLDC 電機反饋選項,以iC-MH8作為一個例子。在頂部的UVW 其他信號的輸出選項設置,例如絕對位置通過SSI / BiSS接口,ABZ增量和模擬正弦/余弦信號。該芯片包括一個霍爾陣列,模擬信號調理,數字正弦/余弦插值,誤差監控,自動增益控制,多編碼器的輸出格式,UVW電機換向輸出,數字配置,線驅動能力,和片內編程。霍爾橋信號調理和放大通過PGA自動增益控制來補償不同的操作條件,如溫度,電源電壓或磁場的變化由于溫度或老化。圖3: 絕對磁編碼器電機控制帶輸出選項  芯片上的正弦/余弦信號放大到1 Vpp,并且通過一個差分模擬輸出驅動器,用于外部監測或獨立的插補。他們也被用于12位實時正弦數字轉換器/插補器,以一個非常低時間延遲,小于1μS。12位提供了一個小于0.1°的分辨率。一個絕對位置可讀出通過串行SSI(同步串行接口)或BiSS接口(雙向同步串行接口)的運動控制器。一個開放標準的SSI / BISS提供高速串行接口,也用于生產線配置。如果需要,集成的RS422 線路驅動器支持長電纜到電機或運動控制器。ABZ信號以2MHz的頻率更新并且延遲時間小于1μS。零位可編程256 步(114°)用于增量,192 步(118°)用于UVW接口。也很重要的是要有設置和調理模擬信號的能力。這需要一個高質量編碼器輸出信號。選擇BLDC 電機換向磁極設置,可用于各種不同的電機設備類型。可調設置存儲在編碼器芯片的RAM并且能夠編程到片內非易失性ROM 中,上電后可讀。光集成也可能  磁性編碼器芯片能夠更好的用于非常苛刻,灰塵和嚴格的環境。然而光單片編碼器芯片帶換向輸出通過光學系統集成同樣變為可能。其性能更高一些,但對比表明,兩種技術齊頭并進。圖4顯示了兩個單芯片光學編碼器帶增量和UVW輸出。這里的分辨率定義是碼盤確定的,并且使用三個光學傳感器用于產生UVW。電機的極對數定義是碼盤設計確定的。例如,四個光電二極管陣列可以提供高達20,000CPR用一個直徑33.2mm的碼盤。特殊的封裝如optoQFN符合這個光學解決方案需要。現在的混合信號集成能力可以提供可靠、高度靈活單片編碼器芯片,并且可配置磁編碼器反饋選項具有12位分辨率。這與傳統的霍爾傳感器/開關系統相比較,具有高性能集成到電機殼體。在光學編碼器帶有集成的UVW輸出選擇,也是單芯片解決方案的發展趨勢。這些趨勢支持增強性能提高電機電子換向的能量效率,通過最好的電機反饋解決方案。圖 4: 光學單芯片電機編碼器芯片帶UVW換向    
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IC-HAUS Driven Application Program
IC-HAUS 驅動中的應用方案-----------涉及到IC-HAUS電源管理iCs、編碼器iCs、24V通信電纜驅動iCsIC-HAUS驅動中的應用方案在工業和自動控制領域為客戶提供靈活的電源解決方案,而且供電系統的電壓范圍寬廣。可以應用在工業傳感器、旋轉編碼器、直線編碼器等。論文在介紹IC-HAUS的驅動方案前先簡介IC-HAUS電源管理iCs。一:IC-HAUS電源管理iCs IC-HAUS電源管理iCs總共有6個型號,可以分為三個類型:IC-DC,IC-JJ,IC-WD系列。IC-DC在方案中作為電源芯片IC-JJ的特點如下:供電電壓VBAT范圍6 to 16.5V。在輸入電壓不穩定的情況下能夠穩定輸出一定時間---自給功能。靜態電流很小,30μA左右。兼容TTL-/CMOS輸出模式。12V/30mA三態輸出。欠壓檢測,單線串行總線,看門狗檢測功能,ESD保護。 IC-WD系列的特點如下:輸入電壓范圍8-36 VDC效率非常高的降壓變換器內部集成了開關晶體管和續流二極管通過外部電阻調節截止電流;100 kHz內部自帶集成的振蕩器兩路降壓調節輸出分別200mA/25mA輸出電流非常低的紋波;ESD保護;溫度范圍在-40 to 85°C之間SO8和DFN10兩種封裝格式在PCB布線的時候需要極少的空間二:驅動中的應用方案如上圖所表示的是DC/DC變換器iC-DC的應用。輸入電壓的范圍是在4.5V到32V之間。VCC2給6通道增量光學編碼器iC-LTA/iC-PT供電,VCC1給3通道差分線驅動器帶集成阻抗匹配的器件iC-DL供電。這種供電方式使傳感器件和電平傳輸器件之間做到了有效的隔離。iC-DL器件的過壓和過溫報警通過TNER引腳進入iC-DL。通過這種方式將iC-DC的錯誤信息和iC-DL的欠壓和過溫監測聯系起來。NER管腳將提供兩個芯片的錯誤信息。    圖例電路利用了iC-DC本身固有的反向電極保護特性。ZD1, ZD2, D2 to D13 和 電阻 R3組成的保護電路可以防止任何形式的過壓輸出。工程師在設計這些保護電路的時候可以根據自己的經驗,沒有特定的要求。具體設計規格參照官網說明。輸入電源通過電源管理IC內部的二極管接在IC-DL的管腳VBx上供電,十分方便。  iC-LTA/iC-PT是6通道增量光學編碼器,可以應用在直流無刷電動機和工業驅動上。實測輸出波形如下所示:可以看出波形對稱性很好,波形效果十分理想。波形輸入到24V通信電纜驅動IC-DL的輸入口,IC-DL輸出通過通信電纜輸入到100米外的PLC。IC-DL的特點:6通道限流防短路推挽式的驅動3路差動通道的選擇集成了30至140歐姆的電阻;供電電壓范圍很寬在4到40V之間。200mA輸出電流;輸出飽和電壓很低;兼容TIA/EIA standard RS-422。總線輸出三態開關;轉化無延時上升斜率很高。內部施米特觸發器,下拉電阻;TTL and CMOS電平兼容;防壓高達40V。RS‐422(EIA RS‐422‐A Standard)是Apple的Macintosh計算機的串口連接標準。RS‐422使用差分信號,RS‐232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發送和接收信號,對比RS‐232,它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離。在工業環境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優點。      RS‐485(EIA‐485標準)是RS‐422的改進,因為它增加了設備的個數,從10個增加到32個,同時定義了在最大設備個數情況下的電氣特性,以保證足夠的信號電壓。RS‐485是RS‐422的超集,因此所有的RS‐422設備可以被RS‐485控制。RS‐485可以用超過4000英尺(1200m)的線進行串行通行。      RS485是從RS422發展起來的,采用一對差分線A和B,還有一個使能信號可以使A和B處于高阻態。      RS485標準滿足RS422規范,所以RS485驅動器可在RS422網絡中應用。RS-485 的數據最高傳輸速率為10Mbps。但是由于RS-485 常常要與PC 機的RS-232口通信,所以實際上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率會使RS-485 傳輸距離減小,所以往往為9600bps 左右或以下。iC-DL的封裝如下圖:IC-DL可以監控VB、VCC和芯片溫度;當出現錯誤的時候讓所有的輸出級都呈高阻狀態,然后置低NER。除此之外,還可以監測VB1, VB2 和VB3的電壓差,當絕對誤差超過0.75 V時產生報錯信號。 
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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業世界工業應用采用嵌入式微控制器時需要特別關注現場惡劣的噪聲環境。從供電電壓低至+1.5V或者+3.3V到24V工業界,需要仔細設計和決策專門的解決方案來達到安全和穩定的工作。下面的文章描述不同的挑戰和設計考慮以及可能的解決方案滿足最大可能的功能安全和可靠性。 文章描述的內容如下:工業界 — 一個不同的世界有哪些設計挑戰電平轉換器和驅動器輸出信號安全采用分立元件還是 ASSP I/O 接口處理24V輸入信號噪聲驅動激光二極管/LED哪些地方需要省電概要1)工業界 — 一個不同的世界 自從在1970年代發明微控制器以來微控制器趨向于更多的專用衍生和更多的功能和較低的技術門檻。集成更多功能,更大存儲器以及低功耗。 對于一個給出的應用,每個人都在尋找“最佳的工作狀態”達到最低的成本,最小的空間和最小的功率消耗。為達到這些需求而采用一個新的單片機而辯論。最后的結果是微控制器的供電電壓持續降低,在某些情況下內核工作電壓低至0.8V,I/O接口電壓低至+1.5V。 然而,在工業應用領域,大多數供電和邏輯電平依舊是+24V。使用+24V供電和邏輯電平適應工業應用領域的噪聲和惡劣的工作環境。由于這個原因,優秀的電子抗干擾性需要接口耐受高電流尖脈沖、磁干擾、靜電放電等等。大多情況下微控制器和工業界的電流或者電壓是一個10倍的關系。然而,我們要解決的是安培級或者是伏特級的問題,而不是毫安級或者毫伏級的問題。這就為硬件設計者提出了一個挑戰,在兩個領域隔離和轉換信號電平。這意味著從轉換低至1.5V的單片機邏輯電平到+24V的電壓擺率在輸出或者其他方向的輸入。 使用微控制器在嵌入式應用,例如,加工控制、機器人、自動化設備等等。意味著在某種程度上仔細地設計接口,那就是可靠和考慮到安全工作。也有許多標準適用于某些方面的功能安全,例如IEC 61580和EN 60204-1。 2)有哪些設計挑戰 就工業環境的本質,挑戰每個設計的是下面的這些需求: 高電壓擺率隨著快速的dV/dt或者dI/dt轉換引起的輸入信號和輸出信號的交叉干擾接地回路由于系統的分布參數而改變接地電平系統或者軟件失效引起的激勵端損壞(例如,功率輸出級) 由于這些原因,在設計微控制器和+24V工業界之間的接口時下面的這幾點需要考慮: 微控制器需要多高的電平轉換給輸出?微控制器需要多高的電平適應于其輸入?針對硬件或者軟件的故障如何保護輸出級?數字的和/或模擬的連接需要什么樣的濾波?工業I/O和微控制器之間需要強制的隔離?多大的功率上升和下降行為需要被考慮?哪些失效需要被監控以及如何監控?哪些地方是高功率消耗引起的熱斑(例如,高電流或者高頻率)? 3)電平轉換器和驅動器輸出信號安全   最初考慮的是著眼于微控制器的I/O端口邏輯電平,然后是明確輸出需求的電流和電壓。例如,驅動高電流阻性負載,像加熱器或者執行機構,需要一個邏輯電平轉換和功率三極管或者FET功率前置-驅動器。圖1所示的例子是轉換+1.8V供電的微控制器邏輯電平,通過前置-驅動器,控制一個高電流+24V FET。來自微控制器的邏輯電平,這個FET支持的切換負載電流大于10安培。圖1所示的另一個選擇是連接一個高邊開關,例如,iC-DP,在36V供電時支持負載電流高達200毫安。  因為在上電時微控制器的I/O端口已經連接到輸入,需要特別預防這里。為了避免在這個期間浮動的輸入電平轉換,如果下拉電阻沒有集成到器件內部,需要連接附加的下拉電阻,例如iC-MFL。  另一個需要考慮的地方是輸出端短路的失效-安全保護監測,監控VCC電壓、地和芯片溫度。在實際應用中,輸出端失效將會引起損壞或者會傷害到使用者,或者損壞昂貴的設備,或許需要一個FMEA分析來滿足安全標準(例如,IEC 61508)。  這需要在整個系統級、板級和芯片級做FMEA分析。對于此電平轉換和前置-驅動器iC-MFL,FMEA安全電路已經集成到芯片級,而且包括第二個地連接和特殊的地監控。  對于iC-MFL,如果第一個地連接丟失(第一級失效),監控器清除所有的輸出到一個定義好的低電平,關閉所有的輸出功率級。或者微控制器通過一個低電平加到EN輸入關閉這個電平轉換器,同樣的操作會執行,輸入開路以及輸出短路。圖1:電平轉換和驅動功率輸出  iC-MFL的輸出級設計成最大輸出電壓為+18V。其他類型的驅動器,像iC-MFN,可用來處理不同的輸出電平并且可以直接供電從+24V到高達+40V。在許多嵌入式系統一些數量的輸入和輸出由于不同的機器配置可以不同以及在I/O端口需要一些不同的組合。 4)采用分立元件還是ASSP I/O 接口 ?   I/O模塊化可以使用不同的方法。一個解決方案是板級方案,選擇一個不同的I/O模塊或者PCB,或者是在嵌入式電路板的芯片級方案。也可能是一個FPGA和分立元件組成的輸入或輸出級,或者使用專用的ASSP。這些特別的設計適用于靈活的和可編程的I/O配置。  在嵌入式機械或者機器人應用,傳感器和執行機構有時候僅數米遠。如果它們采用屏蔽雙絞線電纜連接并且在中間接地,那么接地回路通常對輸入/輸出系統不會有問題。因此,在很多情況下,電隔離(例如,通過光電耦合器電流隔離)是不需要的。這對于系統設計者而言可以減少I/O端口的成本以及增加靈活性。  另一方面,數字I/O采用+24V邏輯電平被用來連接開關、數字傳感器和在輸入側通過長電纜進行低速串行通信。+24輸出也被用于驅動執行機構,例如,繼電器、電磁線圈、電機和指示器,例如,燈泡或者LED。對于高速串行傳輸(例如,SSI/BiSS編碼器)在一個高噪聲的環境,RS422也通常被使用橫跨超過100米的距離。為了達到可靠的工作,使用失效監控,在輸入端特別考慮如下:I/O端口可能沒有可靠連接檢測開路、短路和連接斷開提供濾波器抑制噪聲、交叉干擾、尖峰或者機械開關跳動檢測已定義的信號傳輸用來產生微控制器中斷 在設計輸出端時考慮同樣重要,例如:耐受和檢測短路,檢測超溫限制燈具產生的浪涌電流以及抑制線圈關閉時產生的電壓尖峰支持脈沖輸出用于閃爍或功率降低  切換負載使用高邊開關輸出是較多的首選方法,斷開或者接地負載不能影響+24V系統供電。監控不同的電路失效,例如,+24V供電不足,一些丟失地線連接以及由驅動器超溫引起的臨界狀態的應用。具有回讀輸出端口的選項,或者測量I/O端口的模擬電平用于更詳細的診斷對達到功能安全是非常有用的。測量I/O接口模擬電平的方法也用于+24V輸入端口。  許多數字功能需要組合的I/O端口,可以在FPGA里做這些端口,然而模擬功能、+24 I/O 以及錯誤監控需要使用分立元件實現。一個專用的、可編程的以及組合的+24V I/O解決方案如圖2所示。這個例子是基于ASSP,它通過一個并行總線或者串行SPI接口連接到微控制器,幾乎各種微控制器都可以這樣使用。   在此應用中電源和地是需要隔離的,iC-JX可以通用一個隔離的(例如使用光電耦合器)SPI接口連接。由于使用了很少的隔離線纜,這是一個明顯的成本優勢方案。這種情況下,iC-JX的邏輯供電可以從+24V通過一個電壓穩壓器提供+3.3V,和+5V給數字和模擬電路。  iC-JX也提供所有I/O端口的回讀功能。另外,集成的16通道10位A/D轉換器支持端口觀察,例如,觀察+24V模擬輸入用于診斷功能。 這些特性提供了功能安全、提高了在線維護能力以及失效檢測。當采用一個遙控診斷功能時這會顯著的減少維護成本。  對于電壓調整器,iC-WD或者iC-DC可以產生兩個輸出電壓用于小的I/O子系統,它結合了一個開關模式的DC/DC轉換器和一個線性穩壓器。這會減小模擬電路的紋波以及保持電源自身的低消耗。圖2:緊湊的通用I/O和光學隔離  對于這個電路另外的安全性,如果一個錯誤狀態在微控制器內部產生,一個外部看門狗電路也可以監控微控制器是否有效以及禁用所有的16個I/O端口。5)處理24V輸入信號噪聲   在輸入信號噪聲方面,數字的或者模擬的濾波器需要避免被微控制器錯誤的讀入,對于數字信號,iC-JX輸入具有內建遲滯數字濾波選項。模擬輸入信號可以通過分立元件的濾波器或者內建的比較強濾波功能,例如,保持、遲滯或者RC電路。圖3所示的是iC-HC的保持功能影響輸入噪聲。圖3:集成濾波的輸入噪聲濾波功能此方案是典型的快速測量輸入電平以及內建電平轉換用于微控制器的輸入。此供電電壓和差分輸入電壓可以高達36V。省電方面,iC-HC比較器可以通過使能輸入切換到“零功耗”模式。6)驅動激光二極管和LED   使用一個微控制器驅動激光二極管需要恒流源和尖峰釋放開關來避免損壞昂貴的激光二極管。取決于電流和切換頻率,不同標準的驅動器允許平均電流控制(ACC)和/或平均功率控制(APC)。圖4所示的是集成解決方案iC-HG驅動三只激光二極管(或者LED陣列)帶可調節的恒流功能。圖4:驅動RGB激光二極管/LED高達1安培的電流  上圖是典型的RGB光源應用于不同的工業領域,例如激光模塊。當設計和測試快速激光驅動電路時,請看另一篇文章,“設計和測試快速激光驅動器電路”。7)哪些地方需要省電由于工業信號是高電壓擺率,功率消耗就成為一個值得注意的問題。對于輸出級,當轉換頻率升高時將會有超溫現象出現。一個典型的例子是24V線驅動用于串行通信子系統。  一個可選的方案處理這個問題的方法是存儲沒有終端匹配的傳輸線反射的信號能量在電容里,并且使用這個能量為驅動器供電。這個方法可以節省高達50%的器件消耗能量,在轉換頻率小于250KHz時可以減少3個瓦特的器件熱消耗。因此,增加了穩定性和減少了散熱需求。iC-HX是一個24V線驅動器支持這個功能,僅需要增加一個電容。測試結果顯在傳輸速率為200KHz時,iC-HX的外殼溫度從100℃減小到70℃。  減小線驅動的功耗是一個省電的例子。因此,所有運行在高頻率和高電流的系統的各個部分都應該仔細評估它們潛在的功率消耗(例如,使用低RDSONFET)。  驅動繼電器和電磁閥也是一個特殊的情況,由于繼電器(電磁閥)的吸合或者釋放狀態的特性決定的。考慮到這個特性,驅動繼電器和電磁閥需要仔細考慮電路的級別。吸合時間在10-100毫秒時吸合電流需要大于兩倍的工作電流,取決于繼電器或者電磁閥的特性。超過吸合時間后電流可以減少至少三分之一。這可以采用分立元件的RC網絡或者脈寬調制電路(PWM)。當可靠吸合之后改變占空比或者改變頻率。PWM通過內建FPGA電路序列或者使用一個微控制器PWM輸出或者使用一個ASSP器件解決這個需求。圖5:集成驅動繼電器(電磁閥)省電解決方案  如果也需要繼電器或者電磁閥的監控功能,可以采用一個專用的ASSP。圖5所示的iC-GE電路用于驅動繼電器或者電磁閥,直接從36V供電,兼容典型的TTL輸入電平。此器件僅需外接RHOLD和RACT電阻定義所需要的吸合和保持電流。這個集成解決方案實際上改變電流允許相同的繼電器可以使用在不同供電電壓的應用。為了達到這點,不同供電電壓時,PWM輸出的占空比和頻率需要校準。  這個專用的ASSP解決方案也集成了箝位二極管和維修指示。它也監控線圈的電流、欠壓和超溫。如果一個錯誤發生,LED燈會閃爍,也可以用來作為一個中斷給微控制器。如上所述,當驅動繼電器和電磁閥時,減小器件的功率消耗是可能的。通過特別的考慮,一個板級的解決方案可在項目設計階段解決。7)概要  如本文所述,當連接微控制器到工業界時有許多特殊的設計考慮。廣泛的使用微控制器作為嵌入式解決方案用于汽車、電機以及機械控制系統。當要連接到工業界時設計者需要考慮特殊的需求。幸好,iC-Haus專用的工業ASSP解決方案解決了這些負擔,以及解決了設計者在板級的許多問題。 
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Design and Test of Fast Laser Driver Circuits
設計和測試快速激光驅動器電路自從 Theodore H Maiman 在50年前發明激光器以來,激光被廣泛應用到各種技術領域,例如通信,工業生產,以及傳感器和測量設備。通信行業關注的是高達GHz范圍的高速傳輸頻率,工業生產主要關注的目標通常是高速的超短范圍內納秒級脈沖光功率。在傳感器和測量應用的挑戰是設計快速激光驅動器電路,這是一個非常苛求的任務。下面的文章描述激光驅動器電路設計,PCB布局和光學測量注意事項,以及設計一個脈沖寬度短到2.5ns的理想解決方案。目錄集成激光驅動器解決方案快速激光驅動器電路設計注意事項布局要求測量激光脈沖4.1)從示波器到光學儀器4.2)從計算機到光學USB儀器設計檢查概要1)集成激光驅動器解決方案 傳統的激光二極管驅動器電路通常使用分立元件,用于低成本和低性能應用。集成激光驅動器的優勢解決方案是: 1.       提高輸出功率的穩定性(1%或優于1%)2.       減少板子空間(減少80%以上)3.       錯誤監控4.       較好的動態性能5.       提高了可靠性/MTBF 用于快速開關,集成驅動器是必須的,因為減小PCB分布電感和分布電容是允許更快速信號變化的主要方法。2)快速激光驅動器電路設計注意事項   用于測量和傳感器領域的激光器光源通常是半導體二極管激光器,光學輸出功率從幾個微瓦到幾百個毫瓦。集成電路可方便地和安全地控制半導體激光二極管,光譜覆蓋整個可見光到紅外光范圍。最新研發的全類型集成激光驅動器解決方案支持開關頻率高達155 MHz以及激光驅動電流高達300 mA。圖1所示的原理圖是iC-NZN的應用電路。它的工作電壓從3.3V 到5.5V,可以去驅動N,M和P型激光二極管帶或者不帶監控二極管。 圖1.全類型激光二極管驅動器電路  支持兩種工作模式,自動功率控制(APC)和自動電流控制(ACC)。光學輸出功率各自不同。驅動電流由電阻PMD/RMD設置,如上面圖1所示。如果采用一個合適的PCB布局,脈沖寬度可以達到小于3.5ns以及脈沖上升沿和下降沿時長(tr/tf)為1.5ns(最大)。在這種情況下應該采用LVDS輸入信號替代TTL電平來減少EMI。iC-NZN的特點是提供了一個低邊輸出(專門為N型激光二極管優化),iC-NZP的特點是提供了一個高邊輸出(專門為P型激光二極管優化)。為了保護激光二極管,特別是在APC模式,通過管腳VDDA的最大驅動電流可以由電阻RSI來限制。  對于更高功率的激光脈沖,例如電流開關iC-HG,提供一個集成的解決方案。它的特點是可提供6個帶尖峰釋放的電流開關,每個開關切換電流為500mA,而且這些開關可以并聯起來達到3A DC 電流。脈沖寬度可以低至2.5ns,峰值電流可達9A。最大開關頻率200MHz,上升和下降沿時長1ns(最大)。最大占空比取決功率耗散和iC-HG的散熱情況。 圖2:CW驅動電流可達3A,脈沖驅動可達9A的激光驅動電路   輸入EN1和EN2使用LVDS模式帶100歐姆線路終端電阻。激光器電源電壓(最大12V)由兩個低ESR鉭電容緩沖以及使用兩個瓷片電容進行RF濾波。iC-HG監控LVDS輸入信號,如果幅度低于50%,會在管腳NER產生一個錯誤信號,電源電壓和芯片溫度也被監控。當欠壓和過載時NER信號也會產生。每個通道的電流可以通過控制CIx的電壓來設置。它也可以被用來做模擬調制。最大調制頻率典型值2MHz,CIx的輸入電容是調制頻率的限制因素。3)布局要求對于非常短的激光脈沖,激光驅動模塊的布局是挑剔的。由于快速開關的瞬態過程,當設計PCB時傳輸線路低電感是要記住的關鍵。圖3a所示的是一個iC-HG高速驅動模塊的例子,圖3b是布局的細節。推薦布局指導方針如下:保持從驅動器到激光二極管的線路和回路盡可能的短(每個mm都要考慮);放置儲能/旁路電容在驅動器IC電源和地線附近;選擇低ESR電容(使用兩個電容并聯來減小ESR);分開AGNDx和GND大面積鋪地(僅在公共地處連接);確保DFN封裝的散熱PAD的散熱圖3a:高速激光驅動模塊 圖3b:高速激光驅動模塊布局 4)測量激光脈沖 4.1)從示波器到光學儀器為了激光二極管脈沖的光學測量,需要一臺高速示波器和一個附加的高速光電接收器。此光電接收器應該在相關頻譜范圍具有高靈敏度以及盡可能寬的帶寬,從DC到GHz范圍,以便激光脈沖的幅度和快速脈沖的邊沿同樣可以被測量。圖4a所示的是一個典型的光學測量裝置,使用iC212高速光電接收器作為示波器的一個適配器。在這個例子里,使用一個大約12.5ns的40mW的激光脈沖發生器,脈沖幅度和上升沿時長可以使用示波器測量。示波器需要一個合適的高模擬帶寬,工作頻率也要到GHz范圍。圖4b所示的是光學脈沖響應。為了知道準確的激光脈沖形狀,僅有一個電氣測量激光電流是不夠的。由于激光二極管的特性,測量結果會大不同。因此必須測量激光二極管的光學輸出。這通常是通過使用一個擴展常規實驗室設備用于電子測量。可能的方法有擴展常規示波器或者試驗用PC來測量光學的激光光束。圖4a:激光二極管模塊測量裝置                圖4b:光電接收器iC212的激光脈沖使用iC212光電接收器                            測量結果 iC212是專門為此類測量而設計的光電接收器,它是第一個此類裝置,結合一個帶寬范圍從直流到1.4 GHz的寬光譜靈敏度,波長從320至1000nm(見圖5)。它可以測量連續波和脈沖光功率,瞬態低至280ps。圖5:光電接收器頻譜靈敏度  iC212在波長760nm處的增益因數是1.625V/mW。這允許光學功率測量低至子毫瓦范圍。激光脈沖的上升沿和下降沿時長可以直接從示波器讀出。然后光學功率可以由測量得到的幅度除以相關波長的靈敏度得出。圖6:測量功率圖6所示的示波器測量波長為635nm。靈敏度由圖5得出,在635nm處,S=1.34V/mW。光學功率有下面的式子計算,其中,U是從示波器讀出的幅度。Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW除了激光二極管和激光模塊的光學測量,IC212也可用來測量玻璃纖維傳輸線,光學傳輸時間,照度或者激光系統的光學觸發或者錯誤檢測測試。4.2)從計算機到USB光學儀器  另一個選擇是iC227數字示波器,通過USB連接到實驗計算機。它是一個非常快速和精確的雙通道8GHz順序采樣示波器,基于微控制器和高速ECL差分電路。微控制器經過隔離的全速USB接口通信,全速速率12 Mbits/s。順序工作范圍是由在觸發和采樣電路之間插入增量時延完成。ADC轉換隨著一個觸發事件開始以10皮秒增量采樣。圖7所示的是iC227配置成 4 GHz雙通道示波器的功能原理。連接到iC212的被測部件來構成一個完整的光學計算機儀器。iC227主要特性如下:8 GHz帶寬觸發輸入帶寬2 GHz時基范圍25ps到100us垂直12位分辨率時基精度1.5%FS+/-10ps垂直精度隨著CH1/CH2輸入 3%FS最小觸發頻率10KHz垂直刻度10到1000 mV最大輸入采樣電壓2Vpp,觸發輸入4Vpp圖7:USB示波器功能原理 由采樣原理可知,IC227僅采用重復信號工作。然后,需要一個數字脈沖發生器來完成測試裝置。圖8所示的是iC149脈沖發生器。它產生脈沖寬度從1到64ns,步長增量0.25ns。固定頻率1MHz以及提供LVDS和TTL輸出。管腳連接兼容iC-HG和iC-NZN/NZP評估板。圖8:脈沖發生器管腳連接適用iC-HG/NZN/NZP評估板脈沖寬度可由兩位二進制碼旋轉開關設置。舉個例子說明,一個完整的測試裝置如圖9所示。  它由一個光學測試臺組成,包括iC-NZN評估板和脈沖發生器iC149。接收器方iC212光電接收被用來和iC227一起工作,iC227帶寬設置為8GHz,iC212光電接收器直接連接到通道1。”Input via Trigger“復選框必須保持未選。圖9:光學測量采用計算機USB光學儀器iC212光電接收器輸出直接連接到”SAMPLER IN1“”Input via Trigger“復選框必須保持未選。5)設計檢查對于高速激光驅動器設計,推薦注重考慮以下項目:PCB板布局見以上第3項示波器帶寬要充分考慮快速躍遷和過沖iC-HG在LDKx的過沖輸出不應該超過最大值12ViC-NZN在LDK的過沖輸出不應該超過15V,正常值為12V6)概要新一代基于iC-HG的激光驅動器電路能夠產生高功率激光脈沖,脈寬低于3.5ns。為了在相關應用中能精確達到這個目標,需要優化PCB設計來減小分布電感。需要專用工具來測量光學輸出的上升沿和下降沿時長。光電接收器iC212,脈沖發生器iC149和數字USB示波器iC227是這些測量設備新的選擇。   
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Single-chip encoder to improve the performance of motion control applications
采用單芯片編碼器提高運動控制應用的性能     典型的標準封裝編碼器是許多運動控制應用的反饋設備,但是提供給最終用戶的許多配置是有限制的。一個替代和面向應用的方法是利用更高集成度的和智能化的傳感器技術基于一個單芯片的編碼器設計。這些提供了一個高度靈活的和可配置的選擇,對于那些需要能夠微調編碼器輸出而提高總體系統性能。 下面的白皮書描述了采用單芯片編碼器方案提高運動控制系統的性能。目錄:1) 提高運動控制應用的性能       P.32) 單芯片編碼器設計方法       P.43) 單芯片編碼器的類型和選項     P.64) 單芯片編碼器提高性能的特性     P.85) 摘要               P.131)   提高運動控制應用的性能 在運動控制應用中,可提高運動反饋回路的性能來增強系統性能。旋轉和線性編碼器提供這個反饋來實時報告速度和位置。 例如,可以由下面的方式提高系統的運動控制性能:* 提高定位精度* 較高的運行速度* 提高系統效率* 提高可靠性和可重復性例如,可以由下面的方法實現這樣的性能指標:*系統和部件裝配校準*實時配置調整*減少機械公差*添加機械定位調整*預防性維修調整  雖然執行很多上面這些方法來提高系統的性能是可取的,但對于新的設計或者現有的設計不總是有可能的。而且,實現這些改變會影響系統設計的復雜性,可制造性,外形尺寸,成本和上市時間。然而,提高運動控制的反饋有助于提高系運動系統的性能,讓我們詳述一個編碼器設計,可以減少這些因素或者完全消除它們2)單芯片編碼器設計方法  考慮圖1的標準電機配置。這是一個標準封裝編碼器被裝到一個無刷直流電機來提供運動控制應用的位置反饋。一旦此電機配置被連接到驅動應用系統,會有機械和電子的調節局限。大部分情況下,這是可完全接受的,但是對那些需求較高性能的系統,必須要求更多的編碼器配置控制來滿足設計目標。圖1:BLDC直流無刷電機連接獨立封裝編碼器 注意:Comm 是換向信號,ABZ是增量輸出信號,ABS是絕對位置輸出  現在來介紹另一種單芯片編碼器解決方案如圖2所示。使用這個設計方法,一顆編碼器芯片,使用一個現成的外殼解決方案。由于這個高集成度單芯片編碼器芯片,只需要這個芯片本身再加上幾個分立元件便達到所有的要求。此外,參考電路板設計和布局通常可從編碼器IC制造商處得到。 如圖2所示,獨立封裝編碼器方案被單芯片編碼器設計取代,這個例子是一個iC-MH磁編碼器IC。采用此類型設計可通過一個數字接口來調整編碼器的配置。 圖2:直流無刷電機連接基于單芯片設計的編碼器 注意::Comm 是換向信號,ABZ是增量輸出信號,ABS是絕對位置輸出Sin/Cos是模擬正弦和余弦輸出,Config是編碼器配置   如圖中所示,編碼器芯片感知電機軸旋轉的方法是通過一個徑向磁化的圓柱狀磁鐵。此磁鐵安裝到貫通的電機軸,允許直接檢測電機的位置和速度。采用單芯片編碼器設計有可能提供增量輸出,正弦/余弦模擬輸出[4],以及為配置和絕對位置數據讀出的數字串行接口。 3)單芯片編碼器的類型和選項   磁編碼器和光學編碼器如圖3所示。正確選擇其中之一會嚴重影響系統的性能。例如,選用磁編碼器可以更好的適應惡劣環境,以及裝配較簡單,通常它的分辨率和精度低于可比的光學編碼器。考慮圖4的單芯片編碼器選型指南。通過比較每個編碼器IC的多個特性,這將有助于為應用找到最佳的解決方案。圖3:單芯片磁編碼器IC與磁鐵以及單芯片光學編碼器IC與LED和碼盤圖4:單芯片編碼器選型指南輸出格式:如圖5所示,單芯片編碼器如IC-LNG提供不同輸出格式并且有很多是可以同時使用的圖5:iC-LNG光學絕對編碼器IC展示許多可用的編碼器輸出格式   對于某些編碼器器件,例如iC-MH8,有一個源碼開放的串行接口BiSS,它允許高速串行接口讀取配置和絕對位置。有關更多的BiSS信息在BiSS的網站上可以找到。[1]4)單芯片編碼器提高性能的特性   如圖7所示,其中一些特性包括模擬信號調理,數字正弦/余弦細分,錯誤監視,自動增益控制,多種編碼器輸出格式,BLDC電機換向信號輸出,數字配置,線驅動能力以及在系統編程性。圖7:iC-MH8磁編碼器IC方框圖       這些配置可以通過串行接口編程,很多編碼器IC提供一個計算機圖形用戶界面工具允許簡單和實時的交互編程此器件。一個計算機適配器用來做電路板上的編碼器IC的接口,然后這個適配器通過USB連接到計算機。這個計算機圖形用戶界面如圖8所示。      選擇BLDC電機換向極性設置允許此編碼器設備適用于各種BLDC電機。所有的這些可調節設置存儲到編碼器芯片內部RAM,也可編程到片上非易失性PROM,允許這些設置在上電時讀取使用。圖8:iC-MH磁編碼器計算機配置圖形用戶界面   除了可配置特性之外,讓我們考慮以下這些會有助于提高運動控制應用的系統性能特性。 分辨率 回顧圖1和圖2所示的設計,如果這個編碼器輸出是100 CPR(每旋轉正交循環次數)或者400正交沿,將其改變到一個較高的值如1000 CPR 或者4000正交沿,分辨率增加10倍。運動控制系統的角度分辨率從0.9度每旋轉提高到0.09度每旋轉。有一點需要注意的是運動控制器處理帶寬和響應時間[3]。當10倍以上的脈沖加到控制器或者嵌入式微處理器,硬件和軟件設計必須保證在中斷和數據處理能響應這個增長。 在很多情況下,調節分辨率需要置換編碼器器件本身,然而,沒有幾個可選的磁和光學編碼器可以用數字方式調節分辨率而無需改變編碼器IC或者源磁鐵/碼盤。例如,iC-LNB光學編碼器IC內建一個FlexCount模塊,這個模塊允許改變分辨率到任何要求的CPR,從1至65,536 CPR無需改變自身的碼盤。 外形尺寸   單芯片編碼器提供了一個非常小的外形尺寸。小的封裝尺寸允許編碼器的電路板非常緊湊,可以在狹小的空間使用。這就可能允許一個編碼器解決方案使用到之前一個不能使用到的地方。 編碼器傳感器輸入   編碼器輸入的好壞決定它的輸出,一個提高性能的簡單方法是改善編碼器的輸入來實現。對于磁編碼器IC,這個可能是選擇更高質量的某種形式的磁鐵,減小磁鐵到編碼器芯片之間的氣隙以及優化機械同心度設計。對于光學編碼器IC,這可能是選擇更高質量的某種形式的LED,同樣的也要減小氣隙和優化機械設計。通過這樣做來提高編碼器反饋來提高控制系統性能。 精度校準   雖然機械調整是一個可選方法之外,利用單芯片編碼器通過一個串行接口配置它的內部參數提供了一個更為精確的編碼器校準方案。  如圖9所示,SinCosYzer是一個數據采集系統。通過輸入編碼器的正弦和余弦信號,許多不同的測量值被顯示用來幫助校準。李育莎曲線,誤差曲線以及以位和度表示的精度。由于這些設置是實時顯示的,可無休止的調整,只需要通過編碼器芯片計算機圖形用戶界面來完成,如圖8所示,通過內部信號幅度調理,偏置調理乃至相位調理編碼器的正弦和余弦信號的方法改變編碼器的內部配置。 圖9:SinCosYzer 編碼器校準工具 編碼器信號位置調整   調整編碼器的零位信號提供另一種提高系統性能的方法。如圖10所示,iC-MH磁編碼器的索引或Z位置可以數字化的在1.4度的步長內調整。U脈沖的電機換向零位置或者上升沿也可以在1.4度的步長內調整。這提供了一個在應用中靈活定義原位置的方法。不像霍爾傳感器感知BLDC電機磁極的位置是在一個固定的地方,單芯片編碼器可以產生這些電機換向信號然后允許微調它們來增強驅動電機自身的性能。圖10:iC-MH ABZ和BLDC UVW電機換向信號 5)摘要 和標準封型編碼器相比,單芯片編碼器IC提供了一個高度靈活和高度可配置的編碼器方案。此外,基于單芯片編碼器設計,具備了通過一個數字接口調節編碼器配置的能力。通過進一步增強運動控制反饋來提高整個系統的性能。 
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Absolute position encoder design: magnetic encoder or optical encoder
絕對值編碼器設計:是選磁編碼器還是光學編碼器  磁位置編碼器的角度分辨率和精確度與徑向的磁鐵掃描霍爾傳感器的中心有關,受限于可行的插補細分深度和有效的磁場質量。通過每旋轉掃描多個正弦周期,光學位置編碼器具有更高的分辨率。如果使用磁碼盤,這種方法也適用于磁編碼器系統,但是哪個系統更好?  本文描述磁和光學單芯片編碼器的關鍵參數,權衡兩種解決方案和比較兩種編碼器的性能來達到選擇設計方案的目的。                   目錄介紹兩種傳感器,兩種系統線性應用比較兩種旋轉編碼器應用系統4.1)裝配公差和補償特性4.2)可能的誤差來源  5.結論:哪個更好?                                           1)介紹   如今的絕對位置傳感器的制造需求與測量精度以及尺寸大小均和成本有關,而且往往及其多樣化。好的選擇是找到僅有的一個恰當的系統解決方案來適應手頭的任務。所要解決的問題是耗時的,由于不僅是傳感器的機械結構,而且每個沒有體現在元件規格書里的的參數也要考慮進來。另外,開發集成傳感器芯片必須基于一個給定的測量裝置,或者提供合適可能的匹配。  光學掃描器通常使用單獨封裝,方便對光電二極管陣列進行幾何修改。然而,對于磁的霍爾編碼器不具有可比的有效選項,為此不得不提供一個合適的傳感器陣列在芯片內部,或者采用其他方法,由芯片布局決定磁鐵的指標。小的外形尺寸和最佳性能通常是這兩種解決方案都具有挑戰性的設計目標。本文比較一個16管腳DFN封裝的18位磁單芯片霍爾編碼器iC-MU和一個optoQFN封裝的18位光學編碼器iC-LNB。2)兩種傳感器兩種系統  多通道光電子掃描器iC-LNB捕獲絕對位置數據用于線性位移測量系統或者旋轉編碼器(圖1)。同步掃描一個10位二進制碼,附加一個模擬的信號軌道用來評估實時的插補細分,使用一個小的編碼量來達到高的角度分辨率。期望得到的絕對值位置和增量位置分辨率使用內部的"FlexCount"算法得出,提供1至65536范圍內任意脈沖數量的分辨率供選擇。                                           圖1.光掃描器iC-LNB  編碼窗口寬度僅5.2mm,支持使用較小的碼盤或者較大直徑的空心軸。伴隨著節能的iC-SN85 LED來擔當一個緊湊的光源和iC-LNB的監視器,以及控制照度的級別。關鍵的邏輯處理也由iC-LNB內部執行,而更復雜的任務也可由一個外部的微控制器執行。  偏置和幅度補償功能已被集成到芯片內部,用于修正模擬軌道信號,這些信號也由差分的1024個周期的正弦和余弦信號通過四個輸出端口輸出。由信號矯正電路來降低插補細分的誤差并獲得更高的位置數據精度。 位置數據輸出可以是并行的(高達16位)或者是串行的(使用一個快速移位寄存器)。時鐘速率高達16MHz,允許循環讀出時間小于1us。3.3V兼容的SPI端口支持器件設置和用來掃描位置數據以及診斷消息(例如,當奇偶校驗位打開,存儲監視標志一個錯誤)。最大允許速度依賴于分辨率;當17位分辨率時可獲得6000rpm(表1)。                    表1:元件電氣參數  霍爾編碼器iC-MU是一個全集成的單芯片器件,是理想的磁碼盤、磁鼓和磁帶掃描器,適用于運控控制應用。典型應用包括絕對位置編碼器、增量編碼器以及用于無刷電機的換向編碼器(圖2)。位置數據被實時捕獲并由串行接口(BiSS,SSI以及SPI)和一個增量接口兩同時輸出。任意數量的分辨率脈沖數可以使用內部"FlexCount"算法再次選擇。   采用合適的磁測量機構,設有兩個增量軌道,極寬大約1.28mm,每個磁極對是差分的,由另一個磁極對交叉穿過測量間隔。兩個同步的正弦-數字轉換器用來數字化霍爾傳感器信號;這些矢量跟蹤轉換器跟蹤磁場變化率達8 MSPS,無延時。   由兩個軌道信號之間的相位差,集成的掩膜-已編程信號處理器計算絕對位置基于游標原理。使用這個原理,運動控制不必要獲得絕對位置。在旋轉應用中,可獲得一個19位的分辨率(相當于2.5弧度秒),當使用磁碼盤 MU2S 30-32時,以及支持的速度高達12000 rpm。   通過安排磁極對在一個高分子磁鐵上面的一個扁平碼盤,可建立一個緊湊的系統,它可以理想的直接安裝到電機的法蘭上。掃描工作距離于芯片平面大約0.4mm。   設計于一個16腳的DFN封裝,iC-MU集成全部的所需編碼器功能在最小可能的空間,僅5*5mm。偏心或者偏軸放置支持空心軸用于高分辨率的磁絕對值編碼器。適合的磁碼盤直徑為30mm,支持空心軸直徑高達10mm。                                  圖2:磁傳感器芯片和磁碼盤   通過設置細分因數從1到65536,數字角度位置可以從ABZ接口以任何分辨率輸出。由于內部的"FlexCount"算法,整個范圍的分辨率參數僅使用一只傳感器就可以滿足。這允許一個設計適合各種編碼器分辨率而無需改變測量裝置。完全安裝好編碼器的位置以后也可以編程,以最少的時間交付上市。而且,零位置信號也可以在裝配好以后再編程。   iC-MU可以產生3個換向信號(U、V和W)來運轉無刷直流電機,適合電機極對從1到16。由于精確的電子調節UVW信號可以按照轉子的位置改變而提供了一個關鍵的優勢,使得不再需要通常使用的霍爾開關系統。   由于可以支持空心軸應用,可以使用一個兼容的裝配替換旋轉變壓器。作為整個系統的一部分,這將導致一個更便宜的旋轉變壓器替換解決方案產生,隨著它的高分辨率,支持更精確的電機控制。   SPI接口可以直接連接到一個微控制器,BiSS用于雙向通信和CRC校驗的超長距離通信,以及SSI是一個標準的編碼器接口。所有的接口允許時鐘頻率高達10MHz。   關于數據輸入,iC-MU在BiSS協議下支持多從機應用鏈式連接,使用同步時鐘連接多個編碼器來捕獲數據。如果一個相關編碼器已連接并設置和開始工作,絕對精度有可能在最高速度時記錄、評估以及由一個微控制器校正,這個微控制器可允許在系統中擔當一個交互的輸出接口。3)線性應用  iC-MU支持40,80,或者160mm距離的絕對線性測量,位置分辨率大約160nm。兩個器件可被級聯用于更大的距離,使得最大可能的測量絕對距離延長,由2到64的一個因數確定(圖3)。這使得絕對距離測量系統可以達到數米,測量速度高達16m/s。                      圖3:元件級聯用于線性測量系統和大空心軸應用   例如,決定圖3的多圈設計絕對位置測量來自于中間軌道的1024個循環和上面軌道的1023個循環。相位差由橫跨整個2.6米的測量長度決定。下面的這顆iC-MU(1)在中間軌道的1024個循環和下面軌道的992個循環之間計算相位差。此裝置因此重復產生32次位置數據,橫跨整個測量長度。 多圈數據來自于iC-MU(2),用來區分這32個段。   此外,級聯兩個iC-MU霍爾編碼器,其他多圈傳感器(齒輪箱)也可以用來提供它的多圈數據給iC-MU。一旦供給電源,多圈數據自動讀取,并且在計量模式期間周期性檢查。4)比較兩種旋轉編碼器應用系統   兩種編碼器的傳感器結構已經確定,支持小尺寸和成本敏感的產品而沒有犧牲任何測量精度(圖4)。盡管這兩種器件采用不同的電路設計方法,它們同享類似的性能特性(表1);支持任意可編程脈沖數的實時高絕對值和增量信號分辨率。 圖4:裝配原理和尺寸比較  當選擇基本的系統布局時其他決定因素也必須考慮進去,例如應用領域和測量精度要求。表2比較了主要的傳感器規格參數。 表2:光和磁傳感器的特征比較  隨著完美的電子處理測量系統,磁碼盤的磁極間距誤差是絕對測量誤差的顯現來源。例如,一個典型的磁精度是15um,而光學碼盤的線精度是300nm,差別是顯而易見的。借助于掃描半徑(表3),這個值可以被轉換成角度誤差;在理論上,磁編碼器系統大約為0.07°(252弧度秒)以及光編碼器系統大約為0.0018°(6.4弧度秒)。光學系統其它的主要誤差來源總計為0.011°(40弧度秒)。   用戶選擇一個特定的系統主要依據這個系統的優點和缺點。例如,磁編碼器系統具有多種優勢的環境免疫力,諸如,灰塵、油污以及水汽。它也允許一個寬的工作距離,允許軸向間隙和安裝公差較大而容易裝配。由于磁編碼器系統無需LED和光學器件,一個扁平的編碼器設計成為可能,   對于芯片設計者,當開發電路時傳感器的信號扮演著一個主要的角色。光學傳感器讀取軸角由光學碼盤產生的光分布和強度決定。好的信號對比度必須避免成像錯誤。為了戰勝這個,特殊的編碼器LED提供均勻性的平行光,iC-SN85是一個合適的LED。它支持大約200nA的光電流產生,在傳輸阻抗為1MΩ時產生的信號電壓為200mV。   對于磁傳感器,磁場分量垂直于芯片是有益的。霍爾效應直接提供一個典型的mV級電壓,依賴于磁場強度分量Z。由于單個霍爾元件僅能感知到磁鐵的距離,而采用多個霍爾元件在不同位置記錄磁場的Z分量以便角度信息可由各個局部的磁場漸變得出評估。霍爾元件必須真實地“感知”這個彎曲的近場磁力線。由于霍爾電壓的極性跟隨磁場的方向,磁鐵的北極可區別于南極,使得使用一個極對來確定絕對角度成為可能。   霍爾元件最多僅能從磁碼盤的磁場產生10mV的電壓。為了達到光學編碼器系統的分辨率,信號的帶寬必須被限制。為了達到信號調理的目的,霍爾元件使用一個固定的掃描頻率和濾波來評估。這個霍爾傳感器扮演了一個模擬低通角色,截止頻率大約20kHz。然而,實際上,較長的信號傳輸延時是不相關的。 4.1)裝配公差和補償特性  兩個系統都使用快速實時插補細分電路由向量追蹤轉換器使用arc tangent進行轉換。關于偏置、幅度匹配、相位精度和諧波,此轉換器依賴于模擬的正弦/余弦傳感器信號。然而,與理想的裝配位置的偏差引起的信號誤差會減小插補細分的精度。為了確保測量精度,兩個系統都允許靜態校準由裝配引起的信號誤差和通過集成的D/A轉換器校正調節幾個模擬信號路徑。   電子信號校準會增大機械活動限制度(表3)。iC-MU也允許正弦/余弦相移校準,這也能補償徑向對準誤差。一旦設置和校準,所選擇的工作點由自動功能來維持。對于光學編碼器,集成的LED功率控制補償由溫度上升引起的LED效率損失。霍爾編碼器有一個增益控制用來補償當磁碼盤與芯片距離的變化時引起的場強改變。 表3:機械數據和裝配公差 4.2)可能的誤差來源  原則上,誤差應該被通盤考慮進去。在這里,已對基本情況進行了考察,拿霍爾編碼器作為一個例子。如果測量用磁鐵的相關幾何尺寸已被考慮進去,這些考察結果也同樣適用于光學編碼器系統。   如果霍爾編碼器在掃描半徑對齊不理想,將會引起正弦信號失真。如果有一個半徑位移(ΔR),霍爾元件不能探測到磁體或者探測到分段的磁極不在正確的位置(圖5B)。正弦和余弦信號就會有一個固定的位移誤差在隨后的掃描中出現。然而,這也可能通過使用集成的信號校正電路得到補償。表達式1:由于徑向對準引起的測量誤差   表達式1給出了傳感器信號電子相位誤差,D為掃描直徑,ΔR為掃描位移。例如,參考電子正弦周期信號,一個霍爾編碼器徑向0.1mm位移會產生0.35°的相移在掃描直徑為26mmm時。如果計算每旋轉的機械角度誤差,結果必須除以極對數。一個標準磁碼盤有32個極對,相當于機械角度誤差為0.01°。  另一方面,器件在切線方向的位移(ΔX)對兩個軌道信號電子角度相移的影響或大或小是相同的(圖5A)。這個間距改變和相位差異僅輕微地影響計算絕對位置值,實際上幾乎不會改變。然而,偏心裝配誤差(ΔE)會引起設備抖動(圖5C)。直徑越小,測量目標的改變越大。一個長波誤差出現會減小絕對測量精度。                                             表達式2:由偏心率引起的測量誤差 偏心率誤差來自于測量器件的位移ΔE,這個誤差來自于旋轉軸和測量磁鐵的極寬p。因此,一個偏心率10um的誤差導致相位誤差為1.4°(參考正弦周期),或者角度誤差0.05°(參考機械旋轉),有關尺寸大小,見表3,掃描直徑26mm,極寬1.28mm,32極對。對于起決定性作用的相位差游標計算,偏心率誤差扮演著一個較小的影響,由于兩個信號軌道的偏心率是相同的。在一個完整的機械旋轉360°,角度精確度優于+/-0.1°.這個精度受磁化系統的限制。如果個別的磁極變化,輕微的位移影響在大約45°和90°,如圖6所示。連接參考編碼器的機械軸也產生一個軸心誤差,它可以通過在同一個方向旋轉的一個長波偏離觀察到。                                                                                               圖6:iC-MU磁系統角度精度圖6展示了iC-MU磁系統的角度測量精度,使用磁碼盤 MU2S 30-32,周期角度為11.25°。在這里,數學和圖形功能在BiSS讀出軟件里能容易的比較測量數據。 5)結論:哪個更好?  磁傳感器技術有很多優點可說:優秀的可靠性、對沖擊和振動的高抵抗性、不易碎、對灰塵和水蒸氣不敏感。單芯片霍爾編碼器iC-MU允許使用空心軸以及可實現僅有光編碼器才能做到的位置分辨率。然而,對于高測量精度的應用,光學傳感器,諸如iC-LNB等有優勢,但是需要更昂貴的裝配成本。但是,考慮到它們具有小的optoQFN和optoBGA封裝,單芯片編碼器是一個可行的選擇。基于這些關鍵點,決定選擇哪一個方案應該由應用本身的需求來決定。 
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Using smart drivers to save energy for long transmission lines
采用智能驅動器為長距離傳輸線路節能  當在長距離的線路傳輸信號時功率消耗會倍增,采用智能驅動器可以使得電線或者電纜減少功率消耗。對于控制工程中信號高電平使用24V這種特殊情況,這是采用線驅動器的一個潛在節能優勢。功率消耗下降使得線驅動器的外殼溫度顯著地減小。線驅動器是被設計用來轉換邏輯電平和經由連接線傳輸他們作為電子輸出信號。通常在工業控制工程使用的信號擺率大約24V。電纜通常連接到接收器,接收器采用高阻抗來保持靜態功率低消耗。關于電纜的特性阻抗,大概100 ohm,控制單元的輸入阻抗大概幾千個ohm。這里所研究的是電氣上的電纜,即沒有連接的開路終端電線。  在發射端,線驅動的輸出阻抗通常調節到匹配電纜的阻抗。圖1展示了一個這種驅動器的例子。這種推挽輸出驅動器的輸出特性可以簡單的由兩個理想的開關和一個串聯的電阻Rs來等效。這兩個開關HS(高邊)和LS(低邊)按照供給的輸入電壓(沒有在這里畫出)控制,由控制信號ENHi和ENLo來產生。圖1:線驅動器輸出級電路原理圖   最初,一個不帶電的電線由切換到高邊開關HS來充電,供電電壓VB沿著電線通過串聯電阻Rs和電線的特性阻抗ZL來分配。由于Rs大約等于特性阻抗,在電線的開始端A點上電時的電勢大約為供電電壓的一半(圖2)。再往前(2),整個電纜由線路的波動進展被充電到VB/2。  一旦線路波到達接收器B(3),它在開路終端被反射。此反射波被疊加到輸入波,導致在B點由疊加波部分設置一個等于VB的電勢。接收器因此檢測到一個相當于全電源電壓VB的電壓擺率。 整個電纜最終的電勢由反射波充電到VB(4),意味著一旦反射波到達驅動器輸出端A,電勢VB/2也上升到VB(5)。 驅動器輸出端更進一步的反射由阻抗適配器和Rs有效的抑制,因此,線路電勢會趨于一個穩定值。當低邊開關LS切換時,電纜以同樣的方式又開始放電。圖2:信號在一個開路電線上傳播 圖3所示是依據開關狀態從電纜的起始端A到終點B的電壓模型。此外,由驅動器本身的供電電壓和接收器輸入阻抗引起的靜態功率消耗是微不足道的,相當大的線驅動器功率消耗(P)時間在電纜的充電和放電。更長的電纜和更長的再充電時間以及更高的再充電頻率消耗的功率就越大。功率消耗隨著頻率線性增加。實際上,最大使用頻率由驅動器的最大功率消耗限值。圖3:iC-DL在高邊和低邊開關有效信號ENHi和ENLo激勵下電纜起始端A到終端B電壓模型和驅動器功率消耗減少動態功率消耗  一種可能的由iC-HX減小動態功率消耗的方法如圖4。此驅動器管腳兼容iC-DL,具有一個外部連接一個負載電容Cx。工作時這個電容被充電到供電電壓的一半(VB/2)。 圖4:線驅動器帶開關X和電容Cx的電路原理   iC-HX的工作特別之處是什么?信號傳輸時通過對電纜的充電、放電和iC-DL是一樣的,電源和切換實體不同,接下來由圖5說明。iC-HX在充電(1)期間高邊開關HS首先由電容Cx的開關連接到電纜取代,這將會充到電源電壓的一半。由于在這種情況下電流是由無功功率提供的,這幾乎沒有消耗任何電源功率,除了通過開關X的電阻性損耗。為了反射波能被驅動器內部吸收,在反射波到達驅動器輸出端A(5)之前,電容Cx必須立即和電纜斷開并且高邊開關HS有效閉合以便輸出阻抗Rs變為有效。僅僅在這個短暫的切換到高邊開關工作和反射波到達的瞬間功率消耗和iC-DL是一樣的。圖5:iC-HX高邊,低邊和X開關在線路起點A到終點B的有效電壓信號模型,驅動器功率消耗僅出現在從X到HS以及X到LS短暫的切換時間   類似的情形,當電纜第一次放電時電容Cx又通過開關X連接回電纜。這會引起電纜里的能量傳輸返回到Cx;僅在切換到低邊開關期間驅動器消耗少許能量。  潛在的節能在于驅動器上電和斷電的運行時間的使用率有關。  因此,有效應用上述原理,再充電點放置盡可能精確到僅僅在反射波返回前一點是必要的。剛開始iC-HX不知道電纜的運行時間;它必須首先檢測反射波朝向。在這個短暫的“學習期間”,iC-HX按照慣例工作幾個循環,和一個普通線驅動器一樣,不使用Cx切換到電容。一旦電纜運行時間符合規定,此器件自動切換到X開關模式。 潛在節能例子  一個潛在節能的例子由圖6給出。此圖所描述的是使用四個通道,100m長電纜時驅動器的功率消耗。這是一個典型的增量編碼器應用,差分信號A和B使用差分信號傳輸到控制單元。圖6:iC-DL和iC-HX使用兩對100m電纜工作時功率消耗對比   如上文所述,由于電纜再充電是間歇的,隨著所傳輸脈沖的頻率增加功率消耗也會上升。對于一個給定的頻率,iC-HX節省功率消耗大概在30%到40%的范圍。相反的,這意味著在應用中由iC-HX替換iC-DL后驅動器溫度上升較低。例如,用這種方法,增量編碼器由距離決定功率消耗的較高工作溫度可以相當地降低到從80℃上升到100℃,在使用相同的機械裝配和相同的熱阻情況下,熱耗散較低。 
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Flexible Sensor Signal Conditioning and Safe Transmission`
靈活的傳感器信號調理和安全傳輸單芯片傳感器信號調理器集成附加功能提供靈活的信號調理專業的傳感器記錄各種各樣物理參數提供給人或者機器用來更好的決策和優化處理。為了達到期望的結果,傳感器的信號質量和功能安全是同樣重要的。此外,轉換這些被測量的參數必要時應該盡可能的精確和包含易于集成的電子輸出級。設計者面對的一個挑戰是廉價的放大這些小信號,這些信號通常具有非線性以及參數受溫度影響。使用下面的這些方法來調理它們,使得在惡劣的工業環境下通過長電纜能夠保證安全傳輸。 設計者也需要決定如果要傳輸信號,傳輸的信號是數字的還是模擬的。本文概述了針對這個問題的可能方法,描述了一個通用的結構、集成的、可編程的信號調理器用于線性和旋轉編碼器、AMR傳感器和光學傳感器的信號預處理,來滿足工業應用的要求。信號的質量和錯誤保護是決定性的為達到最佳的適應和評估各種傳感器元件,例如,用來測量溫度、壓力/壓強、加速度、位置或光強度,需要一個儀表放大器來提供一個必要的放大。儀表放大器是一個差分器件,兩個輸入同樣放大;它要求必須包含靈活的、可調節的和具有一個高阻抗輸入來處理這些非常微弱的傳感器信號。它也必須具有補償能力來補償由于生產引起的制造偏差。在信號調理級,應該考慮到由溫度或溫度漂移以及泄露、抑制引起的非線性影響,還要避免噪聲或在傳感器感應的干擾。傳感器橋陣列(典型的是惠斯通電橋)尤其適合抑制共模干擾以及即使輕微的電壓改變也能夠提供一個足夠的信號質量。當需要在信號通道定位可能的信號錯誤源時,考慮下面的這些可能性: 1、檢查線路斷路或者短路 2、在傳感器上或者在信號傳輸期間感應的干擾 3、電源供電中斷或者接地不良 4、超出最大工作溫度范圍一個個冗余的信號路徑模式已被證明在高要求的錯誤保護情況下是明智的,但傳感器信號電纜的成本將會加倍。一個好的折中是以傳感器信號的差異作為條件來簡單的檢測信號線錯誤,以及結合這個使用一個集成的溫度探測器和一個電壓探測器和傳感器監控功能來提供各種診斷功能,包括識別傳感器焊接和線纜失效以及溫度監控。關于傳輸傳感器信號,一個供替代的選擇是在信號調理之后立即數字化這些值,然后使用安全的數字協議傳輸它們。為了達到較高的測量分辨率,每個傳感器需要一個ADC,而這將涉及到更高的使用復雜的現場總線協議的成本。 簡單的電壓信號(例如,0-10V)或者電流信號(例如,4-20mA)接口是相當通用的但不提供標準監控。系統設計者因此選擇差分傳輸模擬測量值,差分傳輸使得傳感器信號在驅動器方面邏輯是有效的以及即使使用長的連接電纜共模干擾也會得到抑制。采用這些建議,iC-Haus構思了iC-TW3,一個差分的,三通道可編程信號調理器,配備100-120Ω閉環差分線驅動器。 一個通用的信號調理器圖1所示的是iC-TW3通用信號調理器的差分信號通路。此器件由一個可編程輸入放大器、一個偏置補償級、一個動態濾波器和一個差分輸出放大器組成。輸入偏置、增益和低通濾波器頻率可在此信號通路中設置。在所有三級放大覆蓋的-6到57dB范圍可由間隔0.08dB進行設置。一個總共±1240mV的偏置電壓可由多個40mV配置給前端放大器。一個總共±2.54mV的偏置補償值可以2mV為單位由下游的動態濾波器放大器設置。輸出放大器也包含差分線驅動器和推動已調整的信號,以便使用一個低阻線終端(例如,120Ω)也可以用來直接傳輸1Vpp的信號。圖1:傳感器信號調理通路此放大器輸入也可以工作在單端模式。如果有這樣的需求,則放大器負的輸入端要連接到VDD/2。作為一個附加的選擇,連接到傳感器器件的線纜斷開可以由切換到內部的2MΩ上拉電阻來監控。發生此錯誤事件,信號調理器iC-TW3由NERR輸出一個低電平標志產生了一個傳感器斷開事件。 自動溫度補償  溫度錯誤通常在傳感器部分沒有補償,但會在中心計算機、微控制器、PLC或者驅動器補償。溫度直接由傳感器測量并且作為一附加參數被傳輸。作為一種選擇,溫度可以在傳感器部分測量,用來限制監控和執行本地補償。后面的這種方法基于兩個溫度測量點的線性插補細分。為此,iC-TW3允許一個總計16個自由選擇的插補細分點在0-255的范圍,包括最低值0和最高值255。使用集成的溫度傳感器,這相當于-50℃到150℃的范圍。然而,兩點距離之間的溫度傳感器曲線可以自由地選擇以及可以被調節到適合任何類型的曲線。這些插補細分點存儲在一個查找表里,iC-TW3自動地差補細分通道A和通道B的增益和偏置與通道Z的偏置一樣好。一個總計五個8位的值給可能的16個插補細分點,存儲在I2C連接的EEPROM表格里。這個例子如圖2所示,七個定義好的差補細分點用于溫度補償來矯正所連接的傳感器的偏置和增益的非線性。圖2:插補細分溫度補償增益和偏置一個外部溫度傳感器也可以被連接到iC-TW3,此傳感器應該從物理上隔開電子和其他環境溫度的影響。一個在-50℃和150℃之間的8位的值被用來定義一個可選擇的門限溫度觸發警報。這個警報由iC-TW3的ERR管腳輸出一個低電平,此也可以被用來驅動一個通用錯誤LED指示。 由微控制器或者一臺計算機來調理  iC-TW3由一個雙向的脈寬調制1-線接口來讀/寫訪問所有的寄存器,如同連接的參數存儲器件(一個標準的I2C EEPROM)。在實際應用中可以通過一個微控制器的端口直接控制。此連接也可以配置成一個光學的只-寫連接,如果是密封的傳感器補償,需要“無線”設置。例如,通過一個光傳輸窗口完成。可提供一個適配器用來開發和設計使用,它可以連接到普通計算機或者筆記本電腦的USB接口。圖3描述了iC-TW3的圖形用戶界面用于調理信號通路A和B。在開發期間,這允許用戶確定所有的前置放大器的增益和偏置、濾波器和輸出放大器的參數。工作模式設置(差分或者單端)和傳感器錯誤監控也可以使用這個工具來編程設置。如果設置被選擇,所有新的設置通過軟件立即寫入iC-TW3連接的EEPROM。當前iC-TW3的測量溫度、EEPROM校驗和報警、超溫和傳感器錯誤也形象的顯示出來。每個信號增益路徑可以設置為省電模式來節省功耗。 第三個通道Z信號通路的設置是相似的。這可以用來掃描增量編碼器的參考軌道,用于角度和運動測量或者作為一個可調節的比較器支持增益和偏置警告設置。自動偏置補償周期信號,例如那些正弦/余弦掃描和最大適應頻率以及目標幅度(內部1/2VPP或一個預設的外部值),使用Misc菜單選擇所有的傳感器信號通道。這也可以用來切換溫度補償的開關和設置最高溫度限制。插補細分點和溫度補償特性曲線特征(多達16個查找表)通過一個集成編輯器編輯(通過菜單Extras訪問)。圖3:通過USB接口調理信號用于開發和生產傳感器橋應用  圖4是一個運動傳感器電路圖,通過磁或者光傳感器橋掃描兩個差分軌道,然后調理這些周期的正弦/余弦信號,放大到1Vpp以及通過連接電纜差分傳輸他們給一個120Ω的線路終端。視情況,一個索引傳感器信號可以經iC-TW3的第三個通道調整處理和傳輸。這種方法的優越性是差分的正弦/余弦傳輸實際上不受接口影響,以至于它的邏輯可驗證性,確保應用電路的功能安全。在接收器部分調理過的傳感器信號也可以使用一個非常高的分辨率數字化,使得線纜短路和斷路在接收器部分能容易的被識別。圖4:運動傳感器帶正弦/余弦信號調理和差分模擬傳輸上電后,iC-TW3從EEPROM提取工作模式和校準數據填充到它的內部RAM。依舊可以通過1-線接口訪問它,允許重新補償或者改變工作模式。然后,這些變更可由iC-TW3寫入EEPROM。如果iC-TW3檢測到一個錯誤(例如超溫、EEPROM校驗錯誤或者傳感器器件連接線斷開),NERR輸出被激活。這個報警然后可由一個數字輸出驅動器通過長的線路或者電纜傳輸。 內置安全功能  而圖4所示的系統支持安全的差分線在120Ω的負載線驅動,圖5所示的系統支持100Ω線驅動。圖5所示的是磁增量編碼器的例子,磁傳感器橋或者光信號被iC-MSB用iC-TW3相似的方法放大和調理。在線纜帶100Ω的終端電阻,iC-SMB提供一個擺率為1Vpp值并且支持短路保護和容錯。iC-SMB電路通過了失效模式與影響分析(FMEA),因此適合在安全應用中使用,例如西門子數控產品系統。圖5:磁編碼器帶模擬信號傳輸適用于關鍵性安全應用由上所述,傳感器信號調理應該包括靈活的信號調理設置、全部的信號傳輸路徑、包含信號調理和模擬線驅動器。這些會幫助減小系統成本和滿足功能安全需求。片上溫度傳感和自動偏置補償提供了新的方法去提高系統性能和減少控制系統的工作量。 )
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采用集成電路激光二極管驅動器提高產品性能減少生產及維護成本
采用集成電路激光二極管驅動器提高產品性能減少生產及維護成本設計挑戰在設計低功耗激光二極管驅動電路時,設計者可以選擇使用經典的分立元件解決方案或者使用高級的全集成電路解決方案。通常設計者在選擇方案時只考慮到元器件的成本因素,沒有考慮到整個系統成本設計。生產,測試以及售后支持要在在整個產品壽命期間,主要的關鍵因素考慮如下:在整個供電電壓范圍和工作溫度范圍內輸出功率的穩定性;可靠性;空間要求和激光二極管保護;裝配,測試,以及調校成本;電路設計和測試時間;元件采購和運輸成本;潛在的售后擔保成本;通常被忽略的大多情況是激光模塊中代價最大的部分,即激光二極管本身。因此,保護好激光二極管是一個有利的投資,盡管這個電路需要較高的元件成本。分立元件驅動電路如圖1所示,是一個典型的分立元件APC(自動功率控制)驅動解決方案,用于供電電壓范圍從6到12V的連續波動模式。在這種情況下通用運算放大器加1只齊納二極管,1只三極管和17只無源元件用來控制輸出功率。電路大概需要6cm2板子空間,沒有激光二極管反極性保護和故障保護。這個分立元件解決方案電路啟動時間大概是20毫秒。圖1:典型的分立元件激光二極管驅動電路 集成電路驅動器     圖2所示的激光管驅動解決方案是使用集成電路iC-WKN,一個專用的APC激光二極管驅動器IC用于連續波工作,工作電壓從2.4V到15V,高達300毫安驅動電流。此方案僅需4個附加無源元件來構建一個完整的驅動器。整個電路板占用空間大約1.25cm2,占用空間比分立元件方案縮小了4倍。此電路IC內建接反極性保護,過流和超溫斷電。上電軟啟動(典型值70us)。此電路也保護激光二極管免瞬態沖擊和在寬電壓范圍供電時保持輸出功率穩定。圖2:集成電路激光二極管管驅動器結論圖3所示的圖表是在6至12V供電時分別測量的兩個方案的激光二極管輸出功率穩定性。分立元件解決方案輸出功率在供電電壓范圍內偏差大概10%,集成電路iC-WKN解決方案輸出功率在相同供電電壓范圍內偏差小于1.5%。 圖3:分立元件和集成電路解決方案功率輸出變化范圍 在可靠性方面必須考慮分立元件解決方案有46個焊接點,集成電路IC-WKN解決方案僅有17個焊接點。分立元件解決方案多于兩倍數量的焊接點和超過4倍數量的元件是直接影響MTBF(平均故障間隔時間)的因素(MIL-HDBK-217標準)。當比較分立元件解決方案和集成電路解決方案的總成本時不得不考慮以下6個方面的重要部分:部件;裝配;調節和測試;部件采購成本;庫存成本;潛在的售后擔保成本;僅考慮部件成本需求,集成電路解決方案成本大約貴兩倍多于分立元件解決方案。但是較大數量元件的分立元件解決方案增加了裝配成本,同樣增加了兩個電位器的手工調節輸出功率成本。在這種情況下分立元件解決方案的裝配,調節和測試成本大約貴兩倍多于集成電路解決方案。因此兩個解決方案的成本彼此相當。集成電路解決方案整個系統的可靠性,穩定性和保護激光二極管明顯更好。 必須考慮到分立元件解決方案由于元件部件數量多,焊點多,替換或維修的成本。 表格1概述了兩個解決方案的比較結果。 參數比較分立元件解決方案(圖1)集成電路解決方案(圖2)輸出功率穩定性(供電電壓6-12V)大約10%小于1.5%元件數量20只5只板子空間大約6平方厘米大約1.25平方厘米相關成本部件裝配調節和測試 122 211接反極性保護無有瞬態保護無有過流關閉無有超溫關閉無有啟動時間大約20ms大約70us平均故障間隔時間12.2  表格1:分立元件和集成電路解決方案比較  
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Fast and simple measurement of position changes
簡單快速的測量位置變化  加工機械位置系統、精密測量儀器以及搬運機器人需要快速的記錄位置數據,也需要快速的識別出任何變化。高分辨率編碼器和光柵尺通過一個編碼器接口反饋位置數據給控制中心。選擇的這個接口必須滿足控制單元對時間的要求。對于設計者,擁有太多的編碼器接口可供選擇,這樣就使得選擇編碼器接口的任務和完成這個任務一樣的復雜。除了那些眾多的專有數字接口,也有一些開放的標準接口,例如,SSI和BiSS接口用于絕度位置讀取。然而,如果方向上的或一個非常高的位置分辨率變化需要一個快速的捕獲,串行數據接口的吞吐能力是有限的。作為另一個選擇,有很多傳統的開放編碼器接口可供傳輸位置數據,例如使用正弦/余弦信號或者增量A/B信號傳輸位置數據都很好。下面的文章描述這方面的需求、替代選擇以及可行的解決方案。                                           目錄1.選擇編碼器接口2.使用當前值快速控制3.僅僅計數是不夠的!4.構建一個快速編碼器接口5.摘要 選擇編碼器接口在使用控制器或者PLC的線性/旋轉編碼器的系統中調用一個接口模塊(如圖1)。很多控制器廠商提供一定范圍的專有或者開源接口。 模擬接口模擬接口是傳統的非專有接口,傳輸位置信息使用模擬信號。在接收方,既可以使用正弦/余弦值供插補細分器細分,也可以使用電流或者電壓信號(例如,0-20mA 或 0-10V)確定絕對位置。后者是非常通用的接口,用于簡單的位置編碼器。在安全應用領域,模擬差分正弦/余弦信號收發器是優先選擇的,差分信號的錯誤第一時間可以被檢測到,因此適合這類應用。圖1:控制器或PLC的編碼器接口 數字絕對值接口最快的傳輸數字絕對位置數據的方法是通過一個并行接口。這個接口通常由TTL驅動器擔當。然而,并行接口線纜的成本非常高,因為這個原因這種方法不是特別受歡迎。其他方法越來越流行了,包括使用標準的非專有現場總線用于串行傳輸,例如,CANopen、以太網以及開源的SSI/BiSS接口。 數字增量接口另一個傳統串行編碼器接口使用兩個相移90°的A和B信號提供增量傳輸位置變化數據,就是眾所周知的正交信號。另外,一個Z脈沖信號提供零位信號用于零位探測。對于增量接口,一個方向上的改變由A到B信號的相移或者B到A信號的相移變化表示。圖2所示的是一個靠近零位置的方向改變時序圖。這里給出的是一個旋轉運動方向改變時的分辨率,是一個角度,滯后1.4°。如圖所示,A,B增量信號相移允許探測方向用于向下和向上的計數。在這個例子里,一個循環內,A/B信號提供360°的邊沿(H至L或者L至H)。方向鑒別器必須評估這些邊沿的相位差以及激活向上/向下計數器。這例子是編碼器當時的絕對位置信息。圖2:增量編碼器接口和A,B,Z信號時序圖   增量編碼器接口的優越性在于低成本和對線纜的低要求。典型的配置包括TTL驅動器輸出、集電極開路輸出以及線驅動器輸出。TTL驅動器和集電極開路器是更低成本的解決方案,線驅動器提供許多優越的性能。這些高級性能包括差分驅動器的抗干擾性、可驅動長距離線纜運行、高效的功率消耗以及快速串行傳輸性能的提高。差分對傳輸器得益于使用專用的RS422驅動器,提供更好的適應性。方向的改變也可以被快速的探測,速度由簡單的測量兩個Z零位脈沖之間的沿距離來確定。然而,一個絕對位置僅在一個Z零位脈沖到達之后有效。對于旋轉運動,絕對位置在至少一個循環之后獲得。為此,線性測量系統需要一個參考或者起始序列優先于常規運行。 使用當前值快速控制高精度應用和高速運動產生非常高的時鐘頻率,這不得不由接口模塊來處理。考慮這種高速度和位置控制,可實現的控制循環依賴于固件的算法和硬件的延時時間。舉例說明,圖3圖解了一個電機控制系統的組成。除了固件的執行時間之外,如下的硬件執行時間也要特別注意考慮進去:1.    編碼器延時:插補細分器的處理時間和A/B信號的輸出耗時。2.    編碼器和控制單元/PLC之間的傳輸時間。3.    控制單元/PLC的編碼器接口模塊讀出時間圖3:一個電機控制回路的定時組成部分編碼器延遲    編碼器延遲(TLZ)依賴于模擬放大器的帶寬,其內部的插補細分處理、分辨率以及其使用的編碼器接口。 插補細分器延遲如果模擬編碼器信號正弦/余弦插補細分是一個基于MCU/DSP系統,延遲周期可能超過200us或更多。特別要注意的是當使用較高頻率和分辨率,尤其是協同多軸控制和冗余系統。在這種情況下,延遲可以導致位置數據或許不是當前的或者不同步。為迎接這個挑戰,一個基于超快閃速(flash)插補細分器可以擔當此任務(例如,iC-NV)。iC-NV是并行內部處理,可獲得延時少于1us的插補細分器。 編碼器接口延遲當采用串行編碼器接口時,通常只扮演著重要角色的是數據傳輸時間。對于串行傳輸,MCU/DSP從編碼器接口模塊的位置數據讀出時間Tread,取決于數據位寬和整體速度。例如,SSI在10MHz運行,32位寬,傳輸時間為3.2us。對于增量接口,延遲通常可以忽略,給出實時性位置運動編碼器信號邊沿。然而,方向的改變將增加一些數量的延遲,取決于增量信號的遲滯(見圖2)。 處理延遲一旦位置數據通過編碼器接口被讀取,軟件算法處理時間(TS/W)增加了系統延遲。這將在不同系統之間由于系統本身的處理時間而大為不同,取決于使用的MCU或者DSP的構架和處理能力。 電機延遲在位置數據被讀取和處理之后,最終的延遲屬于電機驅動器自身的一部分。激活電機(Tdriver)和隨后的反應時間(Tmotor)必須被加到整個的系統延遲。所有的這些延時時間加到系統延遲,這個延遲會直接影響整個控制周期的持續時間。反過來,這也影響生產率和整個機器電機控制系統的精度。 3)僅計數是不夠的!電機的速度和編碼器的分辨率確定被處理的脈沖的重復率。然而,當選擇一個編碼器的時候必須一并考慮其他因素。 編碼器選擇例子以一個高速應用為例,磁編碼器系統,例如iC-MH在分辨率為10位時允許電機速度高達480,000 RPM。這些器件也同樣提供相關的電機換向信號UVW。典型的電機速度通常在500到15,000RMP范圍以內。然而,通常要求的分辨率為12位或者以上。在這種情況下,一個速度為120,000RPM和12位位置分辨率的編碼器可以由iC-MH完成。iC-MH是一個單芯片絕對值編碼器器件,提供多種編碼器接口。包括兩個串行SSI/BiSS傳輸接口和一個增量接口。聚焦這個標準增量信號,A/B信號的沿重復率達8MHz。這允許一個大于125ns的最小沿距離距離在兩個A/B信號沿之間(見圖4a:多種電子插補細分器/編碼器特性)。圖4a::多種電子插補細分器/編碼器特性 位寬和速度圖4b給出了每旋轉編碼器的脈沖數,取決于速度。在一個15位分辨率以及10,000RPM重復率時幾乎達到5.5MHz。標準編碼器僅在低速時能獲得像這樣的分辨率。隨著方向改變,最小沿距離非常重要而且必須被考慮進去。圖4b:脈沖速率取決于速度和分辨率直線電機例子如果使用直線電機,通常需求的速度為幾米每秒。對于無芯直線電機,甚至可以獲得超過7m/s的速度。對于光柵尺或磁柵尺,其提供一個周期間隔20um的正弦/余弦信號。若由采用一個分辨率因數為16的插補細分器細分,例如,采用iC-NQC,可達到1.3us的分辨率。在直線速度為2m/s時,脈沖重復率為1.6MHz。除了脈沖重復率和A/B信號的最小沿間隔之外,在開發期間也要遵守下面的這幾方面: 多軸位置在tX時刻同步存儲簡單的速度測量在A/B信號傳輸期間檢測失調/誤差可編程計數器的長度要考慮到不同的測量精度單端和差分兩種方法評估A,B和Z信號 4)構建一個快速增量接口增量編碼器可以用多種不同的方法連接,對于非常緩慢的運動,使用MCU的固件和一個中斷來評估信號沿即可。如果使用一個外部方向鑒別器,或者使用一個集成到MCU內部的方向鑒別器,數KHz頻率的A/B信號也許由MCU的內部定時器/計數器能勝任此掃描任務。對于工業控制器/電機控制系統,FPGA也經常用來構建編碼器的接口。取決于此處理器的構架,有些這方面的一些系統有局限以及不能處理高頻率的編碼器。然而,采用新開發的嵌入式控制器和專用的編碼器處理器可以幫助設計者解決此類型的設計挑戰。iC-MD是一個此類型的編碼器處理器件,如圖5所示,此器件提供一個完全的增量編碼器接口和集成的差分RS422線接收器。iC-MD也可以連接到一個SPI接口或者一個SSI/BiSS接口。iC-MD集成的方向鑒別器激活可編程長度的同步向上/向下計數器。此允許高達3個通道,每個通道可配置高達16位,或者配置為兩個24位計數器,或者配置為一個32位計數器,或者配置為一個48位計數器。在兩個零脈沖之間,一個24位參考計數器計數A/B信號的沿數目。同時使用兩個24位寄存器,其用來評估編碼長度參考標記。累加的參考計數器值也可以用控制器或者本地MCU/DSP來計算速度或者加速度。一個速率為40MHz的編碼器,最大計數頻率要足夠支持一個小于25ns的沿間隔。第一個24位計數器的位置可以存儲以及可通過一個外部事件從接觸式探針引腳(TP)讀出,或者通過iC-MD的SPI/BiSS接口讀出。在一個多軸控制器應用中,這個功能有助于在tX時刻同步存儲所有的位置信息, 以及順序讀出傳播延時時間。圖5:3通道增量編碼器接口帶差分RS422接收器 A/B相位邏輯也被iC-MD監控,并且報告給MCU/DSP其他錯誤,例如過壓,通過一個錯誤輸出(NERR)。報警,例如計數器向上溢出或者向下溢出,由iC-MD的輸出NWARN切換到低電平來標志。這些輸出端子是雙向的并且也由iC-MD作為一個外部消息來存儲以及它的狀態可以通過SPI/BiSS接口讀出。兩個執行器輸出(ACT0/1)可由軟件和MCU/DSP作為信號輸出(例如,用于LED狀態指示)或者作為開關。當考慮到很多編碼器接口設計數不盡的挑戰時,設計者面對的是更多的挑戰。若采用編碼器處理器,例如iC-MD,很多功能可以從一個已經存在的MCU/DSP平臺獲得。如果這樣,這將會減少系統的負擔以及提高很多性能和適應性來達到總體系統設計的要求。 5)概要  在未來的幾年里,需要更短的機器生產速度和更節能的產品,而且為驅動系統開發快速位置傳感器也將成為一個主要的挑戰。有針對性的集成電路,如本文的這個例子,將有助于以成本效益的方式解決這些要求。未來的編碼器iC研發瞄準的是時鐘速率高達100MHz,以便更高的精度可以被快速和可靠的測量。 
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Going digital scanning cursor
游標插補細分為線性位移測量系統和旋轉編碼器提供了優秀的差分線性和更高的分辨率 混合信號亞微米CMOS技術提供了高性能的片上系統設計。隨著傳感器(光電二極管或者霍爾元件)的集成,提高了位置傳感靈敏度。模擬正弦信號插補細分已經變成了一個技術標準,線性位移系統能夠到達小于1微米的分辨率。如果在這些交錯間隔反復應用這個原理,就會得到更加精確的測量結果。這種方法的基本原理來自游標卡尺,這種插補細分使用了集成游標設計。無論測量尺是磁的或者光的,或者是粗略的還是精細的,計算原理是相同的。這個游標掃描過程是完全模擬的,并且發生在一個超小區域內。這個方法提供了替代既定的線性和旋轉位置的傳感方法。 一種細分編碼器由比較主尺和游標細分尺,電子傳感器可以得到精確的讀數,不需要連續掃描多個數字軌道。例如,iC-Haus的插補細分電路iC-MN(圖1)可以評估一個或者兩個附加到主尺的游標尺并且聯合這些讀數形成位置數據。圖1:光學游標系統用于三個信號軌道插補細分對于iC-MN,插補細分電路定義絕對角度位置是利用三個正弦信號的相移。這種方法比僅使用兩個標尺對系統要求的精度較低,較容易實現。主軌道α1決定著細分分辨率和系統絕對精度,游標軌道α3和段軌道α2產生的信息用來決定間隔(圖2和圖3)。一步一步的計算步進時信號錯誤允許的公差。采用這種方法可以制造小尺寸的測量尺和編碼器機構,并且這種靈活性可以用于較小的傳感器。信號的頻率也降低了,因此,通過模擬電路元件的不同相移延時的低通特性可以忽略,無需使用低通濾波器。圖2:三正弦/余弦輸入信號分別數字化(相位角a1,a2和a3)圖3:以a1提供的細分分辨率從相移a1和a2計算出角度a3芯片功能iC-MN的每個通道有一個可調節的信號調理單元和一個采用保持電路,采樣保持電路保持調理過的模擬信號用于順序的數字化。為了達到這個目的,此單元包括一個高精度SAR ADC,帶8-13位可調節分辨率的插補細分器。 在模擬電路,信號偏置電壓為校準提供一個參考。此單元也評估信號幅度,如果需要,傳感器提供能量給這個軌道。這意味著在室溫下調理的參數設置仍然在整個工作溫度范圍內有效。 非線性ADC使用正切函數同時分析正弦和余弦。這用來預防ADC來自細分頻率依賴由于速率錯誤引起的角度錯誤。 為了計算高分辨率角度位置,可以配置兩個乃至三個軌道游標計算,這使得分辨率高25位(360度;一周內分辨率達0.04 弧度秒)。 iC-MN為7х7mm QFN48封裝,需要注意連接線終端防止極性接反和錯誤連接,包括RS-422收發器串行數據接口。數據輸出是SSI協議或者BiSS協議,BiSS時鐘速率可達10Mbps。 使用這個器件可以監控所有的芯片主要功能和配置報警給指定功能。系統會識別典型的傳感器錯誤,例如由于信號線斷開引起的信號丟失,短路,臟污或者老化,并且通知控制器。 光學編碼器絕對值光學編碼器使用精密的標尺,使用微結構應用于玻璃基片。此器件得益于系統級片上集成解決方案和元件尺寸。除了執行多軌道數字掃描以外此編碼器還細分模擬信號來產生中間值。 光學編碼器使用光束穿透模式,使用LED作為光源,碼盤上面有一定數量的碼道,傳感器為光敏感性IC。此傳感器結合光電探測器,信號調理單元和插補細分電路在一個單芯片系統。 使用一個高數量的均勻間隔圍繞分布在碼盤的圓周,標準工藝可以達到非常高的精細分辨率。例如,片上系統iC-LG位置傳感器,初始化分達到2048個相等間隔每圈。碼盤直徑為42mm,碼道寬度大概27um。 為了維持單圈絕對位置,此傳感器必須區分出每個間隔。為了達到這個目的,碼盤具有高達13個附加的碼道,它以數字絕對碼的形式提供了清晰的間隔信息。 此傳感器會通過插補細分這些周期的間隔來更進一步完善這個位置數據。在這里,每一個間隔提供了一個正弦和一個余弦信號。通過計算正切函數,傳感器可以確定一個間隔內實際的相角。這可以補償數字絕對代碼的不利因素來獲得更細微的絕對位置信息,相應分辨率高達21位。 游標的竅門為了達到精細的基本分辨率,基于游標的計算也可以區分這些周期的間隔。為了達到這個目的,這個方法使用額外的正弦信號取代數字絕對碼。對于測量標尺,3個軌道足以替代12個。目前的傳感器,LED以及鏡頭都適合設計成非常小的元件,這些小尺寸的元件開辟了新的應用。 同時,有效的光電傳感器陣列,例如iC-LSH,提供高保真的無滯后和低失真正弦信號。這允許精密細分以便游標計算能基于較少的周期間隔(圖4)。圖4:游標編碼器空間縮小一半角度誤差為了達到較好的細分,確認相關信號錯誤和補償這些信號是非常重要的。典型的錯誤源包括由偏置引起的傳感器阻塞(OS和OC);傳感器正弦和余弦信號的靈敏度不一致(幅度AS和AC);正弦和余弦信號之間的相移偏離90度;(ΦSERR 和/或ΦCERR)以及傳感器的非線性特征曲線(正弦和/或余弦曲線的形狀偏差)。在測量標尺或者光柵也有誤差,例如每個周期間隔的寬度波動導致正弦和/或余弦信號的周期會不同。通常這個角度由一個周期間隔的反正切正弦和余弦信號相關的商依照等式1計算出:插補細分電路量化這個角度,細分這個周期間隔使得編碼器的位置分辨率超過每旋轉20位是可行的。一個短的波動角度錯誤是在一個周期間隔內的錯誤。依賴于周期間隔的數量,此錯誤對角度測量絕對精度有不同程度的影響。一個長的波動角度錯誤隨著軸每旋轉一周而重復。調整碼盤通常會引起這種類型的錯誤。測量標尺的精度也是一個決定性的影響因素。編碼器軸的裝配也可能引起整個系統的角度錯誤(例如,裝配偏離中心以及軸和軸承受力過大)。 對于光編碼器(iC-LG,2048個周期間隔),整個一圈(360度)的絕對錯誤×2048)。插補細分電路可以提高10倍的精度,電子精度可以達到2.8度。為了補償較低分辨率的測量標尺的信號,對插補細分電路要求就更高。信號調理也是一個重要的因素。它必須精細的矯正波形。傳感器信號諧波分量也是一個影響插補細分結果的因素,因為它會減小角度的精度。現在制造的光電傳感器陣列總諧波失真低于0.4%(使用256個周期間隔),然而,已經是一個主要的錯誤來源。 概要幸虧有游標插補細分技術,使用此技術的編碼器使得測量系統的整體性能可以達到更高的精度以及使用優良的差分精度為數字化的電機反饋系統提供更高的分辨率。一個相對較小的光學傳感器僅僅由幾個少數的信號相位關系足以掃描位置信息。使用此技術做編碼器可以使用簡單的光源,較低的功耗,和節省空間。這反過來又降低了系統成本和開辟了新的應用。 
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