Home

作者：Bill Schweber

关键词：SiC MOSFET，电源设计，逆变器

在各种电源应用领域，例如工业电机驱动器、AC/DC 和 DC/DC 逆变器/转换器、电池充电器、储能系统等，人们不遗余力地追求更高效率、更小尺寸和更优性能。性能要求越来越严苛，已经超出了硅 (Si) 基 MOSFET 的能力，因而基于碳化硅 (SiC) 的新型晶体管架构应运而生。

虽然新式器件在所有关键性能指标方面都有明显的优势，但由于各种局限性和应用的不确定性，设计人员对第一代 SiC 器件持谨慎态度是明智的。第二代器件规格方面经过优化，也更多地考虑到了器件的细节。一方面 SiC MOSFET 性能不断提升，另一方面上市时间的压力加剧，设计人员开始使用这些新式器件来达成产品目标。最近出现的第三代器件表明，基于 SiC 的电源装置已经成熟。这些器件在所有关键参数方面都做了改进，同时借鉴了前几代器件的设计导入经验和相关专业知识。

Si与SiC的比较

在过去的几十年中，硅基 MOSFET 改变了从基本电源和逆变器到电机驱动的电源系统的设计。Si MOSFET 经过开关优化，搭配绝缘栅双极型晶体管（IGBT，一种功能相似但结构和属性大不相同的半导体），能够使电源转换和管理从基于线性拓扑结构的传统低能效方法过渡到使用开关控制的更节能且更紧凑的方法。

这些设计大多使用某种形式的脉冲宽度调制 (PWM)，在闭环反馈配置中提供并保持所需的电压、电流或功率值。随着硅基 MOSFET 的使用越来越广泛，对它的要求也越来越严苛。此外，新的能效目标（许多是监管要求）、电动汽车和更智能电机控制的市场需求、可再生能源的电源转换及相关的储能系统，都要求 MOSFET 以更好的性能起到更多作用。

最终，研究人员开展了大量研发工作来改善硅基 MOSFET 的性能，但他们意识到，研发工作逐渐达到了收益递减的地步。幸运的是，研究人员有一个理论上的替代方案，即 MOSFET 所基于的功率开关器件改用 SiC 作为基底，而不是纯硅。

为何使用 SiC？

由于各种深层物理学原因，SiC 有三大电气特性与纯硅明显不同，每个特性均赋予其工作优势。此外，SiC 还有其他一些更微妙的差异（图 1）。

这三大特性是：

• 更高的临界击穿电场电压（约 2.8 MV/cm，Si 为 0.3 MV/cm），因而在给定电压额定值下工作时，可以使用更薄的层，大大降低漏源导通电阻 (RDS(on))。
• 更高的导热率，因而在横截面上可以实现更高的电流密度。
• 更宽的带隙（半导体和绝缘体中价带顶部与导带底部之间的能量差，单位为 eV），使得高温下的漏电流更低。出于这个原因，SiC 二极管和场效应晶体管 (FET) 常被称为宽带隙 (WBG) 器件。

因此，基于 SiC 的器件可阻断的电压最多比纯硅结构高出 10 倍，开关速度是纯硅器件的大约 10 倍，25°C 时相同芯片面积的 RDS(on) 只有纯硅器件的一半或更低（当然所有数值都是近似值）。此外，SiC 器件没有有害的尾电流，因此关断相关的损耗也较小。同时，工作温度最高可达约 200℃（硅器件为 125℃），因而热设计和热管理问题得以简化。

凭借良好的性能属性和长足的进步，SiC 器件现在已在功率与速度的应用矩阵中占据了突出的位置，加入了 IGBT、硅基 MOSFET 和 GaN 器件的行列（图 2）。

从基础 SiC 材料科学和器件物理学到商用 SiC MOSFET，这条路很漫长且艰难（图 3）。经过大量研究和生产努力，第一款基于 SiC 的器件（肖特基二极管）于 2001 年推出。在那之后的 20 年里，业界陆续开发并发布了第一代、第二代和第三代量产 SiC MOSFET。每一代产品都在特定参数方面做了针对性的改进，同时也有一些不同的权衡。

请注意，明确术语很重要：同之前的纯硅器件一样，基于 SiC 的 FET 也是 MOSFET。从广义上讲，其内部物理结构相似，二者均为三端子器件，具有源极、漏极和栅极连接。区别正如名称所示：基于 SiC 的 FET 使用 SiC 而非纯硅作为基材。

最初的第一代和第二代器件

许多参数可用来描述开关器件的性能。其中有许多静态参数，包括最大工作电压和最大额定电流，以及两个静态品质因数 (FoM)：RDS(on) 和最高工作温度，它们与特定芯片尺寸和封装的功率容量有关。

作为开关器件，动态参数也很关键，因为需要通过动态参数来评估开关损耗。最受关注的动态 FoM 是 RDS(on) 和栅极电荷的乘积 RDS(on) × Qg，而另一个参数反向恢复电荷 Qrr 也越来越重要。栅极驱动器用于将电流正确地拉出和灌入器件，而且在此过程中不能发生过冲、瞬时振荡或其他失真，其尺寸和能力主要由这些 FoM 决定。

第一代 SiC 器件的使用和市场增长因为可靠性问题而受阻。其中一个问题涉及 PN 二极管，此二极管位于功率 MOSFET 的电源和漏极之间。对 PN 二极管施加电压使其通电，导致导通电阻改变，使器件的可靠性下降。

Toshiba 的第二代产品修改了 SiC 器件的基本结构，将肖特基势垒二极管 (SBD) 嵌入 MOSFET 中，在很大程度上解决了这个问题（图 4）。这使可靠性提高了一个数量级以上。在新结构中，SBD 与单元内部的 PN 二极管平行放置，从而防止 PN 二极管通电。电流流经嵌入式 SBD，因为其导通状态电压低于 PN 二极管，从而抑制了导通电阻的一些变化和 MOSFET 可靠性的降低。

具有嵌入式 SBD 的 MOSFET 已被投入实际使用，但仅用于高压产品，例如 3.3 kV 电源装置，因为嵌入式 SBD 会导致导通电阻最终上升到只有高压产品才能承受的水平。Toshiba 调整了各种器件参数，发现 MOSFET 中 SBD 面积比是抑制导通电阻增加的关键。通过优化 SBD 面积比，Toshiba 设计了一种 1.2 kV 级 SiC MOSFET，其可靠性得到了明显改善。

然而，同许多增强产品一样，有利也有弊。虽然新的器件结构大大提高了可靠性，但它也对两个 FoM 产生了不利影响。标称 RDS(on) 和 RDS(on) × Qg 得以增加，导致 MOSFET 的性能下降。为了弥补和降低导通电阻，第二代 SiC MOSFET 增加了芯片面积，但这也增加了成本。

第三代器件真正成熟

认识到这一问题之后，Toshiba 开发了第三代 SiC MOSFET 器件，称为 TWXXXN65C/TWXXXN120C 系列。该系列器件优化了电流扩展层的结构以减小单元尺寸，同时提供更高的额定电压、更快的开关速度和更低的导通电阻。

通过降低扩展电阻 (Rspread)，部分降低了导通电阻。通过向 SiC MOSFET 的宽 P 型扩散区（P 阱）的底部注入氮气，SBD 电流得以增加。Toshiba 还减小了 JFET 区域并注入氮气，以降低反馈电容和 JFET 电阻。由此，在不增加导通电阻的情况下，反馈电容得以降低。另外，通过对 SBD 的位置进行优化，器件实现了导通电阻无波动的稳定运行。

目前，该系列包括 650 V 和 1200 V SiC MOSFET，设计用于大功率工业应用，如 400 V 和 800 V AC/DC 电源、光伏 (PV) 逆变器和用于不间断电源 (UPS) 的双向 DC/DC 转换器。650 V 和 1200 V SiC MOSFET 均采用行业标准的三引线 TO-247 封装（图 5）。

与 Toshiba 的第二代器件相比，这些第三代 SiC MOSFET 的 RDS(on) × Qg FoM 降低了 80%（降幅非常显著），同时开关损耗降低了约 20%。内置的肖特基势垒二极管技术还提供了超低正向电压 (VF)。

此外，还有其他与 MOSFET 相关的设计导入巧妙之处。以 VGSS 为例，VGSS 是在漏极和源极短路时可施加于栅极和源极之间的最大电压。对于第三代 SiC 器件，VGSS 的范围是 10 至 25 V，推荐值为 18 V。VGSS 额定值的范围广泛有助于简化设计，同时提高设计的可靠性。

此外，低电阻和更高栅极阈值电压（VGS(th)，即 MOSFET 通道开始导电的电压）有助于防止故障，如因尖峰、毛刺和过冲而导致的意外导通。该电压的范围为 3.0 至 5.0 V，有助于确保可预测的开关性能且漂移极小，同时支持简化栅极驱动器设计。

深入了解 650 V 和 1200 V 第三代 SiC MOSFET

该系列的两端分别是 650 V 和 1200 V 器件，由此可以看出其能力之全面。所有器件的物理封装、引脚布局和原理图符号都相同（图 6），但具体细节不同。

其中一款 650 V 器件是 TW015N65C，这是一款 N 沟道器件，额定电流为 100 A，额定功率为 342 W。其典型规格值如下：输入电容 (CISS) 为 4850 pF，栅极输入电荷 (Qg) 低至 128 nC，标称 RDS(on) 只有 15 mΩ。

除了显示静态和动态参数的最小值、典型值和最大值的表格外，规格书中还有显示关键参数的性能与温度、漏极电流、栅源电压 (VGS) 等因数关系的曲线图。例如，RDS(on) 值与温度、漏极电流 (ID)、栅源电压 VGS 的关系如图 7 所示。

图 8 显示了 1200 V 器件（例如 20 A、107 W N 沟道器件 TW140N120C）的同一组规格和曲线图。此 SiC MOSFET 具有如下特性：CISS 低至 6000 pF，栅极输入电荷 (Qg) 为 158 nC，RDS(on) 为 140 mΩ。

Toshiba 第三代 SiC MOSFET 提供 10 款器件，包括 5 款 650 V 器件和 5 款 1200 V 器件。在 25℃ 时，它们的导通电阻、电流和功率额定值如下所示：

650 V：

• 15 mΩ，100 A，342 W (TWO15N65C)
• 27 mΩ，58 A，156 W
• 48 mΩ，40 A，132 W
• 83 mΩ，30 A，111 W
• 107 mΩ，20 A，70 W

1200 V：

• 15 mΩ，100 A，431 W
• 30 mΩ，60 A，249 W
• 45 mΩ，40 A，182 W
• 60 mΩ，36 A，170 W
• 140 mΩ，20 A，107 W (TW140N120C)

总结

相比于纯硅器件，碳化硅 MOSFET 在关键的开关参数方面有很大改进。与前几代器件相比，第三代 SiC 器件优化了规格和 FoM，提高了可靠性，更好地满足了栅极驱动器的要求，并且对不可避免的设计导入上的微妙问题提供了更深入的见解。这些 SiC MOSFET 让电源系统设计人员拥有了额外的核心资源，使他们可以实现更高的能效、更小的尺寸和更好的整体性能。

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词: 开关, 区别

问：如何区别这个开关是短路型还是非短路型

最近有客户询问 E-Switch  EG2301A 是短路型还是非短路型。根据 E-Switch 的说法，此开关是非短路型。短路型和非短路型的怎样区分?

短路型和非短路型的术语术语定义如下：

短路型 – 在短路型（先通后断）开关中，新的连接在先前的连接断开之前就已建立。这意味着在有一个短暂的时刻，两个位置在电气上是连接的，允许电流同时在它们之间流动。

非短路型 – 在非短路型（先断后通）开关中，当前的连接在新的连接建立之前就已断开。这在开关改变位置时会产生一个短暂的断开或间隙，使电路瞬间中断。

DigiKey 零件编号	EG1944-ND
制造商	E-Switch
制造商产品编号	EG2301A
描述	SWITCH SLIDE DP3T 200MA 30V
详细描述	滑动开关 DP3T 通孔
规格书	规格书

更多相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 机械开关和反跳电路中的开关反弹 
• 磁簧开关中的开关电流与负载电流比较 
• 概述：继电器、开关和一般电气连接 
• DIP 开关与微控制器接口的基本原理 
• 什么是具有长行程的基本开关？ 

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词: 传感器, 工作原理, 测量, 方案

问：超声波传感器的常见问题及其解决方案

“超声波” 一词指的是频率大于 20 千赫、人耳听不到的声波。使用超声波来检测物体的位置、距离或速度的设备称为超声波传感器。通过测量波的时间差或频率偏移，可以计算出目标物体的距离、位置或移动速度。

在使用超声波传感器时，几个常见问题可能会影响其性能和可靠性。以下是这些问题的总结以及如何解决它们：

1.测量不准确：

原因：环境因素（温度、湿度、风）和不均匀的反射表面会影响声速和信号强度。超过传感器的最大范围也会导致不准确。

解决方案：使用温度和湿度补偿，在受控条件下操作，确保反射表面光滑，并为材料选择合适的传感器。

2.灵敏度降低：

原因：发射器 / 接收器上的灰尘或污垢或老化的组件会降低灵敏度。

解决方案：定期检查并清洁传感器表面，并更换任何损坏的组件。

3.信号干扰：

原因：来自其他超声波源或电磁场的干扰可能会扰乱传感器的操作。

解决方案：将传感器安装在远离其他超声波源的地方，并使用屏蔽或滤波器来最小化电磁干扰。

4.测量距离不稳定：

原因：反射表面材料的变化、物体的运动或不正确的安装可能会影响距离读数。

解决方案：确保反射表面稳定，在测量过程中避免运动，并将传感器安装在正确的位置和角度。

5.超声波传播不良：

原因：不同介质中的声速差异或极端环境条件可能会影响精度。

解决方案：在受控环境中使用传感器或应用补偿算法，并选择适合特定条件的传感器。

6.传感器故障：

原因：不稳定的电源供应或内部电路问题可能导致故障。

解决方案：确保稳定的电源供应符合传感器的要求，并检查所有连接是否损坏。

7.安装不当：

原因：不正确的传感器角度、位置或校准可能会影响测量。

解决方案：遵循安装指南并定期校准传感器以确保准确性。

更多相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 市场上有多款触摸传感器，应如何选择？
• 如何使用压电超声波发射器和接收器制作接近传感器
• 超声波传感器基础
• 市场上有多款触摸传感器，应如何选择？ 
• 传感器评估板 

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词：BLE，物联网

Infineon Technologies 的 BLE 产品组合包括 AIROC™ CYW20829B0-P4TAI100 和 CYW20822-P4TAI040 经认证的 Bluetooth Low Energy (LE) 模块，提供的解决方案可为用户应用提供极其可靠和超高性能的连接。有了这些为焊接到主 PCB 设计的认证模块，工业、智能家居、医疗保健、游戏和物联网的设计变得更快、更容易，并且成本得到优化。

AIROC CYW20829B0-P4TAI100 模块

CYW20829B0-P4TAI100 是一款完全集成的 BLE 无线模块，旨在为 MCU 和 BLE 无线电组合提供经济高效且占用空间小的替代方案。CYW20829 模块包括板载晶体振荡器、无源元件和闪存，并配备 AIROC CYW20829 BLE 5.4 MCU，非常适合工业、智能家居、可穿戴设备、智能建筑、AR/VR/游戏和电脑配件。AIROC CYW20829 MCU 为需要长距离和 CAN FD 的应用提供更大的范围和稳定性、更长的电池寿命和低功耗连接、内置安全机制，且系统成本更低。

Infineon CYW20822-P4TAI040 模块

CYW20822–P4TAI040 是一款入门级低功耗长距离 (LE-LR) EZ 串行 Bluetooth 5.0 模块，包括板载晶体振荡器、无源组件和闪存。该模块非常适合通过系统 MCU 将蓝牙连接添加到现有设计中。CYW20822–P4TAI040 模块提供无缝集成、具有长距离 BLE (LE-LR) 支持的增强性能以及出色的可靠性，适用于工业物联网应用、智能家居、资产跟踪、信标和传感器以及医疗设备等各种应用。

产品特性

• CYW20829B0-P4TAI100：
  • 模块尺寸：14.5 mm x 19 mm x 1.95 mm
  • Bluetooth 5.4 核心规格模块：TBD QDID/声明 ID
  • 获得了 FCC、IC、MIC、KC 和 CE 规范认证
  • 易于使用的城垛形焊盘连接
  • 1 MB 模块内串行闪存
  • GPIO：最多 26 个
  • 温度范围：-30°C 至 +85°C
  • 具有单周期乘法和内存保护单元 (MPU) 的 96 MHz Arm® Cortex®-M33 CPU
  • 最大可编程 TX 输出功率：最高 10 dBm
  • 蓝牙连接范围：10 dBm 时最远可达 500 米
  • 接收灵敏度：
    • LE-1 Mbps：-98 dBm
    • LE-2 Mbps：-95 dBm
    • 编码 PHY 500 kbps (LE-LR)：-101 dBm
    • 编码 PHY 125 kbps (LE-LR)：-106 dBm
• CYW20822-P4TAI040：
  • 模块尺寸：20.2 mm x 10.5 mm x 2.3 mm
  • Bluetooth 5.0 核心规格模块：声明 ID D065177
  • 支持蓝牙 2 Mbps、1 Mbps、500 kbps 和 125 kbps
  • 获得了 FCC、IC、MIC、KC 和 CE 规范认证
  • 易于使用的城垛形焊盘连接
  • 1 MB 嵌入式模块串行闪存
  • GPIO：最多 12 个 GPIO
  • 温度范围：-45 °C 至 +85 °C
  • 16 MHz ARM Cortex-M0 微控制器
  • 蓝牙最大发射输出功率：4 dBm
  • 蓝牙连接范围：4 dBm 时最远可达 250 米
  • 蓝牙接收灵敏度：125 kbps 时为 -101 dBm
  • 功耗：Bluetooth 电流消耗：
    • 接收电流：-95 dBm 时为 1.3 mA
    • 发射电流：0 dBm 时为 3 mA
    • 保持电流：32 KB RAM 时为 2 µA
    • 休眠：0.8 μA

产品优点

• CYW20822 和 CYW20829：
  • 经过验证的即用型硬件设计
  • 针对无空间限制型应用优化了成本
  • 非易失性存储器可实现自足工作和无线更新
  • 通过蓝牙 SIG 鉴定，具有 QDID 和 Declaration ID
  • 全认证型模块可节省时间，无需进行设计开发和认证

软件支持

• Modus™ Toolbox 提供了一个易于使用的集成设计环境 (IDE)，可使用 CYW20829B0-P4TAI100 模块配置、开发和编程蓝牙应用。

• 预加载的 EZ-Serial 固件提供了易于使用的命令界面来配置和使用 CYW20822-P4TAI040 模块，从而无需客户编程，并有助于加快支持蓝牙的物联网解决方案的部署时间。

使用入门

• Infineon CYW920829B0P4TAI100-EVK 评估套件使用户能够使用 AIROC CYW20829B0-P4TAI100 Bluetooth LE 5.4 模块评估和开发蓝牙应用。
• Infineon CYW920822M2P4TAI040-EVK 评估套件使用户能够使用超低功耗 Bluetooth LE 模块 AIROC CYW20822M2P4TAI040 来评估和开发蓝牙应用。

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词: 连接器, 规格

问：Pomona 香蕉连接器的六角螺母尺寸

如果你不确定 Pomona 的 3276 和 4513 香蕉连接器的六角螺母尺寸，以下为你进行说明。

查看规格书时，需要注意的是，所显示的六角直径指的是连接器本身的六角部分，而非六角螺母。

规格书指出，3276 和 4513香蕉插头的六角螺母均为 4 – 40 不锈钢螺母。然而，除了此标准尺寸外，数据表并未提供确切的六角螺母尺寸。如果所提供的螺母不适合你的组件，任何 4 – 40 六角螺母都可以考虑使用。

更多相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 为什么在仪器仪表上，经常看到使用香蕉连接器？
• Pomona标准香蕉头，非焊接和可堆叠零件编号说明 
• Pomona – 迷你香蕉头
• 台式电源如何正确接地连接 
• 焊接或无焊接香蕉插头组装 

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词: 嵌入式, 单片机, 工作原理

问：充分利用两种直接存储器访问 ( DMA ) 控制器的模式

直接存储器访问 ( DMA ) 控制器，可以在内存和/或外设之间传输数据，而不需要 CPU 参与每次传输。

充分利用两种 DMA 模式（兵乓模式与多数据包缓冲传输模式），可以帮助提高 MCU 效率。

USB 外设 是一个很好的外设示例，早期的 USB 实现的最大吞吐量只有1.5 Mb/秒。随着更高性能的标准版本的出现。比如要接近12 Mbit/s全速 USB 标准的理论最大值。我们来看看，数据传输方面 DMA 如何帮助提高 MCU 效率！

我们以 Microchip 的 ATXMEGA16D4-MH 举例。

兵乓模式

之前通常使用单个存储器缓冲区进行外设数据传输。如果数据缓冲区已满，MCU 将响应 NAK (否定确认)消息。接收到 NAK 后，主机将等待并稍后重试传输。它将继续重试，直到 MCU 能够成功接收数据。

ATXMEGA16D4-MH 使用乒乓模式来消除这个问题。乒乓模式使用两个存储单元（ memory banks ）进行数据传输。当一个存储单元满时，主机可以将数据传输到另一个存储单元。在两个存储单元之间交替传输可以避免复审，并提高整体数据带宽。

此外，如上图所示，以乒乓模式还使 MCU 有更多时间来处理数据。如图所示，没有乒乓，CPU 只能处理传输之间的数据。使用乒乓模式，CPU 可以在传输周期的一部分时间内处理数据，并降低 NAK 被要求“赶上”数据处理要求的可能性。

多数据包缓冲传输模式

另一个很有用的模式，可以让 MCU 的数据传输更高效。这个特性叫做“多数据包缓冲传输模式”。如果你要通过 USB 端口传送的数据包，超过了全速 USB 的 BULK 传输模式所允许的最大值（64字节），那么就可以用上这个模式。以前，你需要在主机上把数据包分成小块，然后在接收端把它们合并，这会增加中央处理器（ CPU ）的负担。不过现在，多数据包缓冲功能加入了 USB 设备，它会在数据包超过 USB 标准大小时自动帮你分割和合并数据。重要的是，这个模式还能减少中断的次数，因为只有在整个传输结束后才需要中断 CPU。这意味着，CPU 可以处理其他任务，或者进入休眠模式，直到整个传输完成并且准备好处理。

最后:

结合“乒乓缓冲”和“多传输模式”，你可以把传输的带宽提升，更重要的是，在使用这两个功能的情况下，CPU 的负担也降低。这两个功能的结合，不仅在性能上有所改进，而且还能节省能源。

更多相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 浅谈直接存储器访问(DMA)控制器的结构与工作原理 
• 使用 STM32 来控制 NeoPixels 
• 直接内存访问 DMA 优缺点 
• 常见问题解答 – 嵌入式系统设计
• FireBeetle 2 ESP32-S3(N4) IoT 开发板介绍 

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词：5G，工业自动化，工业控制，IoT

工业互联网是目前备受关注的领域之一，通过科技对工业发展进行突破性的革新，其中5G的应用对工业通信技术创新更有着重要的影响。通过5G+工业互联网，全面连接人、机、物和系统，加快实现工业数字化、工业智能化，以帮助降低成本，同时加大工业生产的效率，促进经济的发展。在全球各行各业都在科技的带领下急速发展的环境中，利用5G对工业长线发展大有裨益。

最新的5G+工业互联网市场趋势报告，阐述与工业互联网相关的5G技术的定义、工业互联网的发展，并提供相关趋势的数据以及产品推荐，助你深入了解5G对工业发展的优势，朝着更适合市场需求的方向前进。

5G与工业互联网

在工业智能化的发展方向下，5G确定性网络是重要的一环。5G确定性网络即5GDN (5G Deterministic Networking)，它是使用5G建构移动专网，帮助提升智能化的水平，用于工业领域上可以实现高清视频监控、机器视觉检测等具有高度时延、可靠性要求的应用。

工业互联网是近年全球重视的新概念。在21世纪10年代开始，随着工业网络、云计算、现代通信等的发展而逐步形成。它不只是指新的信息通信技术，将生产链中的人、机、物连接，打造足以处理大量数据、建模以及分析的平台，还是泛指通过全面连接工业经济、产业链、价值链，实现制造业数字化转型，进而发展出更多新的模式、产业、业态等，引领工业趋向高质量。虽然世界各地都在积极发展工业互联网，但各国都有自己的走向，比如美国的工业互联网是资本主义下的产物，由巨头企业领导；而中国的则是由国家政策推行，建构于云平台基础，并持续发展中。

发展前景乐观

5G在全球爆炸式增长，数据显示，全球的5G基站和5G商用网络的数量从2020年到2023年都增加超过两倍，并且相信会随着科技的进步继续稳步增加。工业互联网方面的数据也是呈上升的趋势，全国工业互联网产业不管在规模上还是占GDP比重上也是不断增加，而市场规模也在2023年增加至超过1万亿元。对于未来的预测，有研究显示，2024到2029年中国工业互联网渗透产业和核心产业经济规模，虽然不会戏剧性的急速增长，但也会保持稳定的升幅。可见，5G+工业互联网势必成为重点的发展方向。

迈向工业智能化的世界

工业智能化是业界的大趋势，数字工厂将会成为主流，通过传感器、中央控制器、网络等的协同，加快生产流程，提高生产力和产品质量。而工业互联网平台的发展，更加加速工业智能化转型，通过高度融合工业系统和信息网络，整合基础设施层、平台层、应用层、边缘层这四个工业互联网的架构，互连互通，成为更高效的工业生产系统。

在5G的新时代，工业也在智能化发展方面迎头赶上，通过利用5G信息技术，推动工业转型革新，在科技的协助下加强整个生产系统各组成部分的连接，实现低成本、高效、高质的生产。未来，5G+工业互联网势必能够进一步推动经济向好。

想要了解更多关于5G+工业互联网的内容，欢迎观看以下最新的市场报告，获取更多相关信息，为你的下一个设计建构更精准的蓝图。

观看完整报告

推荐产品

ZAMP003H6TA	ADL5544ARKZ-R7	LMH9235IRRLR
ADG3243BRJZ-REEL7	PI4MSD5V9540BZEEX	SN74HC138DR
ADG779BKSZ-REEL	PI5A3157CEX	SN74LVC1G3157DCKR

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

作者：Art Pini

关键词：I3C，串行接口，MCU，传感器，IC开关

用于集成电路 (IC) 间通信的板载串行接口由内部集成电路 (I²C) 和串行外设接口 (SPI) 主导，两者自 20 世纪 80 年代起就已问世。这些接口广泛用于将低速传感器和 IC 连接到微控制器单元 (MCU)，以实现板内短距离通信。然而，随着数字系统的速度越来越快，这些接口已成为限制因素，I²C 的典型数据速率仅为 1 Mbit/s，而 SPI 也不过 10 Mbit/s。其他限制因素，包括专用中断或芯片使能线路，需要额外的信号连接，这就增加了线数以及总线连接的复杂性。

改进型内部集成电路 (I3C) 总线旨在对 IC 间通信进行升级。该总线具有更高的数据速率、更大的灵活性，以及真正的双线接口，支持带内中断 (IBI) 而非外部中断。

本文讨论了 I3C 接口的特征，以及为什么说它是 I²C 和 SPI 串行接口的理想升级品。我们将使用典型的 MCU、IC 开关和传感器设备来展示其应用。

嵌入式通信总线

多年来，I²C 和 SPI 等嵌入式串行互连器件一直被用于板内通信。这些器件主要用作传感器和用户界面设备及其控制处理器之间的通信总线。典型系统中的传感器数量不断增加，在手机中已达到 10 到 20 个，在汽车中则更多。与此同时，随着对更高速度、更低功耗和更少导线的需求不断上升，对设计人员而言，通信要求也变得更具挑战性。设计人员必须满足这些要求，同时通过中断和使能线保持处理器控制（图 1）。

现行技术使用两线制 I²C 或四线制 SPI 接口实现传感器和用户控制设备接口。中断、使能和其他控制线路与时钟和数据线路分开，因此每个接口有更多线路。

设计人员需要一种更具前瞻性的接口方法，这种方法可以消除互连器件中的这些额外导线，仅使用时钟和数据线路在带内处理这些操作。此外，总线应具有更高的运行速度，以及更低的功率损耗。

I3C 接口

为了满足这些要求，移动行业处理器接口 (MIPI) 联盟开发了 I3C。该接口面向 MIPI 会员提供 MIPI I3C，面向非会员提供功能简化版 MIPI I3C Basic。与传统的 I²C 和 SPI 接口一样，这种改进型也是串行接口，采用两线制，尽可能减少了引脚数以及元器件之间的信号路径数量。其数据速率高达 12.5 Mbits/s，采用单倍数据速率 (SDR) 模式，时钟频率为 12.5 MHz。该接口运行功率水平较低，采用简单而灵活的设计架构。

值得注意的是，I3C 标准保留了与 I²C 系统有限的向后兼容性，可让现有 I²C 设备连接到 I3C 总线，同时仍允许总线在符合 I3C 标准的设备之间进行通信时切换到更高的数据速率。系统配置的比较见图 2。

四线制 SPI 接口运行速度更快，并支持全双工通信。I²C 通过由时钟 (SCL) 和数据 (SDA) 线路组成的双线制总线进行半双工通信。两者都需要额外的线路来支持中断和其他控制功能（如片选）。I3C 将接口中使用的线数减少至两条，消除了 I²C 和 SPI 中单独使用的中断、使能和片选线路。对于需要 10 到 20 个传感器与处理器相连且每个传感器都有数条辅助线的系统来说，减少线数是一大优势。中断和其他控制线路被 IBI 取代。在这种方法中，目标传感器或设备会将其地址输入 I3C 总线地址标头，以通知处理器发生中断。

I²C 和 I3C 的时钟速率相差甚大。I²C 的时钟速率一般为 100 kHz、400 kHz 或 1 MHz，而 I3C 的时钟速率可达 12.5 MHz。以前，SPI 用于时钟速率高于 1 MHz 的应用。设计时需要在时钟速率与线数之间进行选择。I3C 采用真正的双线制拓扑结构，具有更高的时钟和数据速率，从而改变了这一现状。

推挽输出的开关速度比开漏或集电极驱动器更快，是 I3C 提高时钟速率的重要因素。为了保持与 I²C 设备的兼容性，I3C 可根据总线状态在开漏和推挽驱动器之间切换。开漏或集电极设计在初始寻址或仲裁期间使用，此时线路上可同时存在 I²C 和 I3C 设备。在进行单向通信时，I3C 采用推挽方式，不会出现 I²C 设备同时通信的情况。

除标准 SDR 外，I3C 还支持多种可选的高数据速率 (HDR) 模式。这些 HDR 模式以相同的时钟速率运行，但传输的数据密度更高。第一种 HDR 模式是 HDR 双倍数据速率 (HDR-DDR)，数据在时钟信号的两个边沿进行传输，速率是原来的近两倍。对于 12.5 MHz 时钟，DDR 模式可实现 20 Mbits/s 的有效数据速率。

HDR 三元符号有两个版本：HDR 纯总线三元符号 (HDR-TSP) 仅适用于 I3C 设备，而 HDR 传统三元符号 (HDR-TSL) 则适用于包括 I²C 和 I3C 器件在内的总线。三元符号模式通过在 SCL 和 SDA 线路上编码三位（三元）符号来实现每个时钟三个数据位。

HDR 批量传输 (HDR-BT) 模式支持通过四路、双路或单路 SDA 数据线路进行通信，从而提供最高数据速率。因此，在相同的时钟速率下，这是原始单倍数据速率性能的 8 倍、4 倍或 2 倍。

数据传输速度的提高使设备的启动时间更短，从而降低了总线功率占空比。这与 I²C 相比降低了功耗（图 3）。从带有外部上拉电阻器的开集驱动器转变为推挽驱动器进一步降低了功耗，因为上拉电阻器需要很大的功率才能运行。

寻址

I²C 对每个总线设备使用 7 位或 10 位长度的静态地址。这在 I3C 中已更改为 7 位动态寻址，即总线主设备在动态地址分配 (DAA) 时设置设备地址，并将其存储在设备寄存器中。在 I3C 中仍可像在 I²C 外设中一样使用静态寻址。

由于采用动态寻址，设备地址可在以后更改。这支持热连接，允许在总线运行时添加新设备。连接到 I3C 总线的新设备通过发送热连接请求向 I3C 主设备发出其存在的信号。主控制器确认请求并分配一个地址，以将设备添加到总线上。

IBI

I3C 是真正的双线制总线，使用 IBI 而不是 I²C 那样的专用中断线路。IBI 是指目标设备通过拉低 SDA 线路向主设备发出可用性信号的情况。然后，主设备会启动 SCL 线路上的时钟，目标设备将其地址传输到 I3C 总线上，以通知控制器发生中断。

常用命令代码

常用命令代码 (CCC) 是标准化命令，控制器可将其作为一般广播同时发送给所有 I3C 设备或特定目标设备。这些命令用于与总线管理有关的项目。CCC 协议的格式以 I3C 广播地址开始，总线上的所有 I3C 设备都能识别该地址。总线上的任何 I²C 设备都不会确认该请求，因为这是一个保留的 I²C 地址。

每条命令都包括一个 8 位描述符 ID 字段，后面还可能有一个命令有效载荷。向特定设备发送的命令会在有效载荷的第一个字节中传递设备地址。有四十多个 CCC 命令，包括：

• 输入动态地址分配 (ENTDAA)
• 设置新动态地址分配 (SETNEWDA)
• 启用事件 (ENEC)/禁用事件 (DISEC)
• 复位动态地址分配 (RSTDAA)
• 输入高数据速率模式 (ENTHDRx)
• 获取设备特征寄存器 (GETDCR)

供应商可以使用一系列专用的 CCC ID 来执行自己的命令。

错误检测和恢复

与 I²C 不同，I3C 包含错误检测和恢复功能。对于目标设备，有六种强制性错误和恢复方法，还有一种可选方法。此外，还有专门针对主设备端错误的其他错误和恢复方法。

支持 I3C 的元器件

如图 2（左）所示，基本的 I3C 网络至少包括一个主控制器和一个或多个 I3C 目标设备或从设备。主设备可以是 MCU，例如 NXP Semiconductors 的 LPC5534JHI48-00MP（图 4）。该器件是一款 32 位 Arm® Cortex®-M33 MCU，具有 128 KB SRAM 和 256 KB 闪存。其 Flexcomm 接口支持八个不同的串行接口，包括 I3C。

I3C 总线允许添加作为从设备引入总线的辅助主设备。I3C 可以有多个主设备，但只能有一个是控制器。一旦注册，辅助主设备即可请求获取当前主设备状态，如果当前主设备同意，其控制权将移交给提出请求的辅助主设备。

NXP 的 P3T2030CUKAZ 就是一种典型的 I3C 传感器。该温度传感器可将 -40°C 至 +125°C 的温度转换为 12 位数值，精度为 ±2°C。该器件包括一个 I²C 和一个 I3C SDR 模式串行接口。

TDK InvenSense 的 ICM-42605 三轴微机电系统 (MEMS) 陀螺仪和加速计是更为复杂的传感器。作为速率陀螺仪，该器件可测量 ±15.2 至 ±2000 °/s 的旋转速率。而作为加速计，其量程为 ±2 至 ±15 g。该器件可检测运动、倾斜、轻击或步数（计步器）。作为 I3C 传感器，其在 SDR 模式下的工作频率为 12.5 MHz，在 DDR 模式下为 25 MHz。

诸如 NXP P3S0200GMX I3C 开关之类的 IC 可在 I3C 控制器和多组目标设备之间，或在由外部 MCU 确定的单个目标设备和多个 I3C 控制器之间路由 I3C 总线信号，从而重新配置 I3C 总线（图 5）。

如果两个目标具有相同的地址，且不能位于同一总线上，则可能需要在两个目标之间进行切换。另外，两个进程可能须共享一个目标，这需要在两个 I3C 控制器之间进行切换。

结语

I3C 是一种串行接口，通过提高数据速率、减少线数和增加总线控制的灵活性来扩展 I²C 总线。这种增强版总线可扩展传统 I²C 和 SPI 接口的实用性。

小编的话：

正如文章中所分析的，I3C以其高速率、低功耗、多主设备支持、动态地址分配等特性，在提高数据传输速度、增强系统灵活性、降低功耗、提高系统集成度等方面具有显著优势。您对于I3C的这些特性是否了解？您是否正在采用支持I3C的器件进行系统设计？您对于I3C的优势有哪些心得或疑问？欢迎留言，分享交流！

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

作者：Art Pini

关键词：电线电缆, 规格, 安全, 选料  

随着电气和电子元器件及子系统的使用越来越多，正确保护电缆成为系统设计的一个重要方面——尽管经常被忽略。无论是设备内部还是系统之间，尤其是在高振动和环境恶劣的应用中，确保电缆安全和高效布线已成为设计成功和设计寿命的关键。

设计者面临的挑战是找到能够满足应用需求的电缆扎带，具体要求包括抗拉强度、寿命、灵活性、化学品、振动和紫外线 (UV) 辐射耐受性，同时避免过度设计或不损害电缆绝缘及内部结构的完整性。

为此，需要分析多种类型的扎带和现有的各种材料，并加以区分，以避免扎带选型错误最终导致实际费用远超采购费用。

所以，设计者需要了解不同电缆扎带之间细微差别，以及如何选择才能与应用要求相一致。本文将概述电缆扎带的考虑因素、每种类型的优势，并以 Panduit Corporation 产品为例，说明如何有效地使用电缆扎带。

电缆扎的带规格

电缆扎带通常称为束线带或绑扎带，提供各种长度、宽度、材料和颜色选择。绑扎线束时，绑带部分应适合线束，将自由端完全穿过锁紧机制并拉紧，直到绑带锁齿牢固地啮合（图 1）。

电缆扎带可以是单件式结构，其中锁紧倒钩模塑成形，是锁定机制的一部分。相比之下，质量较高的扎带则采用两件式结构。在两件式设计中，一个耐腐蚀不锈钢倒钩嵌入锁紧头，以抓取相对光滑的扎带表面。这种结构是为了实现牢固锁定，由于倒钩不需要适应锁齿，因此能够无限地调整。

最大直径规格表示扎带所能绑扎线束的最大直径。绑扎的时候应可靠固定，但不要过度紧固，也不要切断或磨损电缆绝缘层。实际操作中，所用扎带应长一点，以便与自由端在锁定机制中啮合。

缠绕强度是指环形拉伸强度 (LTS)，以磅为单位。LTS 是指一旦锁紧机制与绑带啮合后，能够在锁紧机制上施加的最大作用力。最常见的扎带作用力范围在 18 磅和 250 磅之间。

LTS 取决于扎带尺寸及所用材料。扎带使用环境是影响材料选择的主要因素。具体考虑因素包括：

• 用于室内还是室外？
• 预期温度范围是多少？
• 是否会暴露在水、油、化学品或振动环境中？

例如，Panduit 的 PLT1.5M-M10 电缆扎带属于该公司的 PAN-TY@PLT 系列扎带。该系列扎带是该公司最大、最全面的产品，包括了许多颜色、材料和结构类型的扎带。PLT1。M-M10 的标称长度为 5.6 英寸，最大直径为 1.25 英寸，抗拉强度为 18 磅。绑带按横截面积可分为超小型、小型或中型。PLT1。M-M10 是一种采用一件式结构设计的微型扎带。这种扎带采用尼龙 6.6 制造的，用于室内。

如前所述，另一种常见的电缆扎带设计由两部分组成，用独立的不锈钢倒钩代替一件式设计中的模塑尼龙倒钩（图 2）。

图 2 中左侧所示水蓝色电缆扎带是 Panduit 的 PLT3S-C76，属于 PAN-TY@PLT 系列的一个变体型号。这种扎带采用乙烯 – 四氟乙烯 (ETFE) 制成，适合需要耐化学性、阻燃性和抗辐射性的应用。图 2 中右侧的电缆扎带是 Panduit 的 BT4S-M0，属于 DOME-TOP BARB-TY BT 系列且配有独立倒钩。此外，该系列的绑带具有圆形头部和圆形边缘，能够尽可能地减少对电线绝缘层造成的磨损。通过在尼龙中添加炭黑来形成黑色，提高了紫外线耐受性，使这种颜色的产品更常见于户外应用。

电缆扎带采用一系列特定材料制造，以满足其预期的应用环境需求。基本扎带由尼龙 6.6 模制而成。尼龙 6.6 具有高机械强度、刚性、良好的耐热性和合理的耐化学性。其变型包括耐候性、热稳定性和阻燃性尼龙 6.6。

而其他各种材料也被用来实现特定耐受能力。例如，DT8EH-Q0 的设计特点是强度高、耐冲击、耐化学品、抗紫外线和耐候。该扎带采用乙缩醛（聚甲醛或 POM）制造，这是一个包括 Delrin 在内的材料系列。其长度为 2.25 英尺，抗拉强度为 250 磅。这些电缆扎带是专为电力和通信行业的恶劣户外应用而设计的。

温度范围

电缆扎带所能承受的温度范围主要取决于其结构材料。尼龙 6.6 的额定工作温度为 -76°F 至 +185°F。尼龙 6.6 具有热稳定性，将温度范围上限扩大到 212°F。PEEK 具有最高温度容限，其温度上限为 500°F。

具体特性

Panduit CBR1M-M 属于 Contour-Ty 系列，设计独特，可防止电线绝缘层或电缆护套受损。该电缆扎带设计有扁平头部，采用平行入口，以限制尖锐边缘的暴露并减少卡柱的情况，其绑带外侧有锁齿（图 3）。

HV9150-C0 直插式电缆扎带使用耐候型尼龙 6.6。在机械方面，该扎带使用了双楔设计式锁紧机制，可固定地或者灵活锁紧（图 4）。

可释放的头部便于在最终锁紧之前进行临时绑扎。锁齿位于绑带两侧，提高了锁紧强度和灵活性。该扎带长度 1.721 英尺，线束直径为 5.92 英寸，抗拉强度为 160 磅。

SST1.51-M 电缆扎带长 5.3 英寸，抗拉强度为 40 磅（图 5）。这种扎带的头部高度较小，适合正常绑扎和穿板应用。其两件式设计具有 Panduit 所称的业内最低穿过力，而且比单件式设计轻了 14%。此外，这种扎带可在最终拉紧之前松开。

大多数电缆扎带的拉伸能力小，而 Panduit ERT2M-C20 采用柔性主体设计（图 6）。

这类型扎带采用符合电线或光缆束的设计，可以防止过度锁紧。这类电缆扎带还具有很大的摩擦系数，能够夹紧电缆，防止侧向移动。这种可松动扎带 8.5 英寸长，抗拉强度为 18 磅。与该系列中的其他扎带一样，这种扎带具有 UL94V-0 阻燃等级——满足严格的电信可燃性要求，且无毒，不含卤素。

SG100M-M0 是专为维护、维修和大修环境以及建筑业的粗暴式安装而设计的（图 7）。

该扎带采用耐候型尼龙 6.6 制成，非常适适合遭受强烈紫外线照射的应用。该扎带长 4.2 英寸，抗拉强度 18 磅，其薄而宽的绑带部分提高了灵活性，可以紧紧抓住电缆束，减少电线的横向运动。

结语

尽管电缆扎带经常被视为是一类理所当然的产品，但设计者需要仔细考虑大量可用的选择，以确保在应用中使用最合适的扎带。如图所示，电缆扎带长度从几个英寸到多个英尺不等，可适应广泛的环境，且功能丰富，可满足各种各样的应用需求。

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com

关键词: 连接器, 工具, 安装

问：为冷压端子寻找压接工具

在 DigiKey，我们常见的一个问题是有人请求提供用于冷压端子（有时也称为快速断开连接器）的简单、通用的压接工具。由于这种端子类型总是用于相对低功率环境中的电源连接，“足够好” 的压接通常就可以了。

技术小贴士： 不要低估连接的重要性。为了保证机械强度以及防止压接处未来氧化，需要进行适当的压接。质量差（电阻低）的压接可能导致过热、绝缘层烧毁，有可能使相邻电线短路，甚至引发火灾。

为此，Molex 的 WM9990-ND 是一款简单、实用的压接工具，涵盖了从 10AWG 到 22AWG 的常见线规。虽然该工具旨在与 Molex 自己的 QC 端子产品线配合使用，但这些产品通常彼此非常相似，并且在很大程度上是标准化的。如果您不需要通过认证，但仍在为 QC 端子寻找专用工具，而不是依赖五金店的钳子压接机，对于注重预算的人来说，这是一个不错的选择。

有关压接端接、拉力测试以及如何验证 “足够好” 的更多信息，请查看：

• Molex 压接手册

更多关于拉力测试的文章：

• 拉力测试及拉力测试仪

更多相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 正确压接：识别正确与不正确的压接 
• 检查连接器端子上的压接
• 小型电子设备的通用压接/剥线工具
• 使用和压接导线金属环 
• 压接前准备好布线用线

******

如任何问题，欢迎联系 DigiKey客服团队

中国(人民币)客服

service.sh@digikey.com

中国(美金)/香港客服

– china.support@digikey.com