變速驅動器廣泛用于各種應用，包括機器人和計算機數控(CNC)機器。安全一直以來都是大家非常關注的問題，因為無論什么時候，這些與人類息息相關的系統都會涉及到保持和運動控制。TI新近開發的具有內置安全相關特性的驅動器摒棄了傳統的控制方法，無需再使用停機和轉速監控器、限位開關、位置攝像頭和接觸器等，這大大提高了系統的可靠性。

本設計提供雙通道輸出信號控制外部保持制動器，從而可遵循 IEC EN 61800-5-2 實現伺服驅動器的安全制動控制功能。當電源切斷時，保持制動器將鎖定，當在線圈上施加電壓時，保持制動器將釋放。這是通過啟用/禁用為線圈供電的智能電子負載開關實現的。該參考設計還具有診斷功能，可檢測多種故障，確保安全操作。TIDA-01600 使用 C2000Launchpad 生成制動控制信號并執行診斷功能。

特性

實施符合 EN 61800-5-2 規定要求的安全制動控制

保持制動器額定電壓 24V、電流高達 2A，可通過獨立控制信號進行控制

雙路開關控制提高操作安全性

自診斷功能涵蓋開路檢測和過流保護

高側開關故障檢測

通過快速減小保持制動器電流，快速應用保持制動器

可選擇減小保持制動器輸出電壓，從而降低功耗

應用

伺服驅動器、機器人和CNC

制動閘控制器

1系統概述

自動化生產過程中存在著大量風險因素，特別是垂直運動情況下的重力，如果發生電源故障或制動裝置失靈，后果將不堪設想。“安全制動控制”(SBC)功能可實現制動器的安全控制，從而防止吊掛荷載掉落。在CNC機器中，SBC可防止由于外力作用而發生移動。

SBC符合變速驅動器的EN 61800-5-2: 2007功能安全標準。SBC會提供安全的輸出信號來驅動外部機械制動器。所使用的制動器必須是安全制動器，其靜態電流用于對抗彈簧的作用力。如果電流中斷，則制動器嚙合。控制模塊通常具有降功特性，可在制動器松脫后減少能耗或制動器發熱。具有吊掛荷載的軸上通常會使用保持制動器和行車制動器。SBC功能通常用于控制保持制動器，且會在軸停止時立即激活。

本參考設計為額定電流最高為2A的保持制動器實施了SBC功能。本設計將TPS27S100用作高側智能開關，將ULN2003A用作低側開關。我們實施了雙開關控制來確保制動器的安全運行。通過數字隔離器IS07142將制動器控制信號與控制器隔離。通過TPS27S100，本設計可以在制動器輸出上檢測開路和短路情況，從而提高系統的安全性。低側開關上的PWM會減小制動線圈的輸出電壓，從而減少制動器通電時的功耗。負載開關消除了離散元件，提高了系統的可靠性。下圖是本參考設計的方框圖和系統規格.

方框圖

系統規格

2系統方框圖

本設計提供了一種在伺服驅動器中實施SBC的參考解決方案。SBC功能可提供安全輸出信號，來控制外部制動器。它可以控制額定電流最高為2A的保持制動器。本設計的主要部件包括IS07142數字隔離器、高側智能開關TPS27S100和低側開關ULN2003A。制動線圈連接在這兩個開關之間。微控制器(MCU)產生的數字輸入信號會通過數字隔離器打開和關閉這些開關。

該電路板通過兩個外部24V電源供電。MCU和數字隔離器的VCC1使用LMZ14201 SIMPLE SWITCHER⑧通過24V電源提供的3.3V輸出進行供電。高側開關和數字隔離器的VCC2使用TPS7B6933 LDO通過24V電源提供的3.3V輸出進行供電。

該系統具有過載、短路和過熱保護，而且可以檢測開路負載。TPS27S100的狀態輸出引腳會產生對應于開路負載檢測以及短路和過熱保護的故障信號。系統會將該故障信號通過隔離器饋送至MCU。來自制動線圈的電壓反饋可用于監控意外接通，還可用于調整來自制動線圈的電壓。您可以在ULN2003A低側開關上選配PWM特性，以便控制制動線圈的峰值和保持電流。

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核心器件

（1）IS07142CC

IS07142CC是一款四通道隔離器，其中正反向通道各兩個。IS07142CC可針對最高2500VRMs的電壓提供1分鐘的電隔離(UL標準)，以及提供4242V的峰值電壓電隔離(VDE標準)。

（2）TPS27S100

TPS27S100是一款受到全而保護的單通道高側開關，具有集成式NMOS和電荷泵。

（3）U LN2003A

ULN2003A器件是一個高電壓、高電流達靈頓晶體管陣列。

（4）LMZ14201

LMZ14201 SIMPLE SWITCHER電源模塊是一款易于使用的降壓直流/直流解決方案，可驅動最高1A的負載，并具有出色的電源轉換效率、線路和負載調節以及輸出精度。

（5）TPS7B6933

TPS7B6933-Q1高電壓線性穩壓器可在4V至40V的輸入電壓范圍內運行。

（6）TVS3300

TVS3300是一種單向精密浪涌保護鉗位器，工作電壓為33V，專門為保護工業、通信和工廠自動化領域中使用中電壓軌的系統而設計。

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系統原理圖

（1）直流電壓輸入

本設計適用于在24V (+15)的直流電壓下運行。電路板上有兩個獨立的連接器，用于為初級側和次級側提供24V電源。J1是為初級側提供24V直流電壓的輸入連接器。直流電壓可在連接器J2處施加到本參考設計上。TVS3300是在雙向配置內連接的33V精密鉗位器，可在高壓瞬態期間提供保護。電感器L1和電容器C8組成了功率濾波器。

（2）低功耗四通道數字隔離器

MCU通過IS07142數字隔離器發送控制信號，獨立地驅動高側和低側開關。此外，來自高側開關的狀態引腳輸出(可提供故障狀態的診斷范圍)和來自制動線圈的電壓反饋會通過數字隔離器反饋至MCU 。下圖顯示了IS07142的電路。

數字隔離器IS07142的原理圖和電路

VCCI引腳上施加的是使用LMZ14201 SIMPLE SWITCHER生成的3.3V電壓。C12 (0.1μF)用作VCCI引腳的局部去禍電容器。隔離器的EN1引腳連接至高電平，以啟用初級側中的輸出通道。VCC2引腳上施加的是使用TPS7B6933 LDO生成的3.3V電壓。C13(0.1μF)用作VCC2引腳的局部去耦電容器。隔離器的EN2引腳連接至高電平，以啟用次級側中的輸出通道。

（3）高側開關

使用TPS27S100作為高側開關。下圖顯示了高側開關的電路。

高側開關TPS27S100電路的原理圖

該開關通過24V外部電源供電。IN引腳是用于激活該開關的控件。輸入信號由MCU提供。連接到CL引腳的電阻器會設置電流限值。本設計旨在獲得2A的電流限值。用于設置該限值的電阻器值可通過下列公式計算得出:

使能引腳(DIAG_EN)永久連接到3.3V電源軌，以實現持續診斷監控。FLT引腳是開漏診斷狀態輸出。電阻器R14是連接的上拉電阻器，用于獲取數字信號輸出。FLT引腳會在檢測到過流、短路、熱關斷或開路情況時變成低電平。輸出引腳通過連接器J5連接至制動線圈的一端。R19和D4形成GND網絡，以保護器件免受反向電流的損害。連接電阻器R15, R16和R17則是為了在過流情況下為MCU提供保護。

（4）低側開關

本參考設計使用ULN2003A作為低側開關，這是一個高電流達林頓晶體管陣列。下圖顯示了低側開關的電路。

低側開關U L N2003A電路的原理圖

ULN2003A由7個達林頓晶體管對組成，每對都具有500mA的額定電流。所有晶體管對都是并聯的，因此可提供更高的電流。用于激活該開關的輸入信號由MCU提供。系統通過連接器J5將該開關的輸出提供給制動線圈的另外一端。

（5）緩沖器電路

下圖顯示了跨過制動線圈連接的緩沖器電路。開關打開時，如果電流減少，線圈的電感就會產生反極性電壓，這會損壞開關。電阻器R20和R25均與通信二極管D3串連，它們又作為一個整體與制動線圈并聯，以提高制動線圈的退磁速度，從而保護開關免受高反向電壓瞬態的影響。

（6）來自制動線圈的電壓反饋

制動線圈的電壓反饋取自低側開關，而后會通過數字隔離器饋送至MCU。該反饋過程是為了監控輸出電壓并據此調整低側開關的輸入PWM信號。電阻分壓器用于將電壓從24V降低至3.3V，以將其饋送至MCU。下圖顯示了制動器電壓反饋電路。

制動器電壓反饋電路原理圖

（7）電源

1）使用LMZ14201生成3.3V電壓

LMZ14201是一個用于為初級側供電的降壓型直流/直流電源模塊。此器件通常用于將較高的直流電壓轉換為較低的直流電壓，最大輸出電流為1A。本設計使用LMZ14201將24V輸入電壓轉換為3.3V，從而為隔離器的初級側和MCU供電。下圖顯示了LMZ14201的電路。

使用LMZ14201生成3.3V電壓的原理圖

輸出電壓由VO和地而之間連接的兩個電阻器組成的分壓器決定。分壓器的中點連接至FB輸入端。FB電壓與0.8V內部基準進行比較。在正常運行狀態下，當FB引腳上的電壓降至0.8V以下時，將啟動接通時間周期。主要的MOSFET接通時間周期會導致輸出電壓升高，并導致FB上的電壓超出0.8V。只要FB上的電壓高于0.8V，接通時間周期就不會出現。

穩壓輸出電壓由外部分壓電阻器R5和R4決定:

整理各項，可實現所需輸出電壓的兩個反饋電阻器的比值為:

所選電阻器的阻值必須在1.OkS2至1 O.OkS2范圍內。本參考設計使用3.32k的R5和1.07k的R4來生成3.3V的輸出電壓。

2）使用TPS7B6933生成3.3V電壓

次級側上的數字隔離器需要一個3.3V的電源來為其供電。因此，本設計中使用TPS7B6933將24V轉換為3.3V，從而為隔離器的次級側和高側開關供申。下顯示了TPS7B6933的申路。

使用TPS7B6933生成3.3V電壓的原理圖

5PCB布局

下圖是PCB的俯視圖。該圖中突出標示了高側和低側開關。

PCB的俯視圖

PCB布局建議：

下圖分別顯示了隔離層和接地劃分。初級側和次級側銅軌通過隔離層彼此隔離。初級側和次級側之間保持著4mm的銅軌間爬電距離。兩個20引腳連接器J3和J4相距20mm，可連接至C2000LaunchPad。電源平而被劃分為3.3V和24V平面。

接地平面分為兩個平面:GND1和GND2o GND1用作IS07142的初級側和LM 14201器件的接地。GND2用作IS07142的次級側、TPS27S100, ULN2003A和TPS7B6933器件的接地。