本工程简报通过探讨安装在 MIKROE TPD2015 上的Toshiba TPD2015FN，介绍可编程逻辑控制器（PLC）数字输出驱动器。该 CLICK 模块提供了一个便捷的转接板和开发平台，便于探索Toshiba驱动器的各项特性。
本文具有教育性质，探讨了 MIKROE 开发板的应用并提供了代码示例。本文还提供了搭载于 CLICK 模块上的集成电路的技术说明。这些信息对于首次接触 MIKROE 产品的用户以及希望逆向工程 MIKROE CLICK 设计以便未来集成到其自身工业控制或楼宇自动化项目中的设计师而言都非常有用。我们认识到，本文所呈现的可能并非使用 MIKROE 产品最直接的实现方式。请访问 mikroe.com 获取最新的库文件和节省时间的操作系统。再次强调，我们的目的是教育，重点在于理解 MIKROE 转接板上所用集成电路的内部工作原理。
关键要点
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Toshiba TPD2015FN 是一款先进的 8 引脚高侧 MOSFET 驱动器，专为 PLC 应用设计，可用于为继电器、电磁阀、灯具和小型电机等 24 VDC 工业负载供电。
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最新的 MIKROE CLICK TPD2015 为Toshiba TPD2015FN 提供了一款低成本的转接板。
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Toshiba TPD2015FN 具备先进的保护电路，可防止过热、过流和短路。需要外接二极管以防护感性负载产生的反电动势。
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Toshiba解决方案集成了电压调节器和电荷泵等支持电路，以实现较低的 MOSFET 导通电阻。这可简化您的工业自动化与控制电路设计。
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设计一款可靠的 24 VDC PLC 输出驱动器并非简单的电路应用。要构建一个能在极端工业环境中可靠运行的电路，必须充分考虑过载、短路和静电放电（ESD）等因素。
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Toshiba TPD2015FN 是一款源型（高侧）驱动器。Toshiba TPD2017FN 则提供了一种替代的漏型（低侧）驱动器方案。
本文是 DigiKey 工业自动化现场指南的一部分
位置 ：理解它 → 基于微控制器的设计的
工业化难度 ：
工程师 — 难度等级说明
最后更新 ：2026 年 3 月 27 日
图 1 ：MIKROE TPD2015 的图片，展示了集成的Toshiba TPD2015FN 驱动集成电路。
技术提示 ：Toshiba TPD2015FN 被归类为源型（高侧）驱动器。一款密切相关的产品是 TPD2017FN,L1F 漏型（低侧）驱动器。请注意，大多数 PLC 采用模块化结构，允许用户根据需求选择漏型或源型半导体驱动器。请注意，2015 款与 2017 款的引脚排列几乎完全相同，因此在两种器件之间切换时只需对 PCB 进行极小的修改。事实上，仔细观察 TPD2015 会发现其为’15 和’17 型号设置了跳线，这表明同一块电路板也可用于 TPD2017。
什么是高边驱动器？
工业控制和自动化系统通常在 24 VDC 生态系统中运行，该系统包括传感器、执行器、控制继电器、指示灯和小型直流电机。当我们聚焦于智能继电器和 PLC 时，会遇到两种独特的现场设备控制配置，即灌电流（sinking）和拉电流（sourcing）配置。
图 2（左）展示了拉电流（高边）配置。请注意，负载电阻位于 MOSFET 的源极端。当 MOSFET 栅极被拉至相对于地约 36 VDC 时，负载被激活。这是为了将 12 V_{GS}𝑉𝐺𝑆 驱动电压叠加在 24 VDC 电源之上，以确保 MOSFET 具有较低的导通电阻。这一点在Toshiba TPD2015FN 数据手册的图 3 中有所体现。负载连接至 N 沟道输出 MOSFET 的源极。内部电荷泵用于为高边 MOSFET 产生栅极驱动电压。虽然未明确指定该电压，但我们可以预期电荷泵会在 VDD 输入电压基础上额外提供约 12 VDC。请参考本文了解自制电荷泵电路的方法。
图 2（右）展示了一种灌电流（低边）驱动器，其中负载电阻连接至 MOSFET 的漏极。一般而言，低边驱动器更易于构建，因为控制器与 MOSFET 共用同一个接地端。低边驱动器无需使用电荷泵或自举电路，但需要一个低阻抗驱动器以及一个以大地为参考的 12 VDC 电源。
技术提示 ：“拉电流驱动器”和"MOSFET 源极”描述的是两个不同的概念。为澄清这些术语，让我们用双极结型晶体管（BJT）替换 MOSFET。现在，我们有一个通过其发射极端向负载提供电流的 BJT。当我们换回 MOSFET 时，它通过其源极端提供电流。
技术提示 ：至此，我们一直谨慎地使用“拉电流”和“高边”这两个术语来指代 TPD2015 的电路结构。这是必要的，因为该产品服务于两个不同的社群，而它们各自拥有不同的术语体系。电路设计师在提及该电路时会使用“高边”这一术语。例如，他们可能会购买一款高边驱动器集成电路。工业控制工程师和技术人员通常会使用“源型”这一术语，例如在描述电路或采购 PLC 模块时。尤其是在连接不同社群时，保持这些区分非常重要。
图 2 ：展示 MOSFET 驱动器与负载电阻的漏型和源型配置的图片。
图 3 ：Toshiba TPD2015FN 的框图，显示了输出 MOSFET 及电荷泵等关键电路的位置。
TPD2015 的控制侧连接
MIKROE TPD2015 遵循 MikroBUS 插座标准制造。请注意，该总线配备一对 8 针排针，重点支持 SPI 和 I2C 等通信协议。
与其他 CLICK 板相比，TPD2015 采用极简设计。MIKROE 工程师未通过中间微控制器（串行转并行转换器）实现串行通信，而是允许直接连接至 TPD2015FN 的全部八个命令引脚：
- 输出 1 至 4 的控制可通过 mikroBUS 实现。
- 输出 5 至 8 的控制可在 5 针排针（4 个信号加接地）上获得，如图 1 所示。
我们所展示的设计采用了极简实现方案。CLICK - TPD2015 被插入 MIKROE-5739 Arduino UNO 扩展板的 mikroBUS 插座 #2 中。控制连接非常简单，如本文稍后所述的代码清单中所概述。此实现未使用输出 4 至 8，也未使用即插即用 ClickID 认证芯片 DS28E36BQ。
技术提示 ：本项目使用了 Arduino UNO R4 Minima 替代经典的 Arduino UNO R3。这款新的 Arduino 板搭载 32 位 Arm Cortex M4 处理器。R4 与 R3 的 I/O 规格几乎完全相同。此外，新款 R4 在 DigiKey 上的成本更低。
TPD2015 的输出侧连接
TPD2015 已安装在 Phase Dock 培训平台上，如图 4 所示，相关接线图见图 5。该电路展示了与典型工业组件的兼容性，包括两个控制继电器和一个红绿双色灯。如视频 1 所示，一个 24 VDC 风扇由 CR2 驱动。此梯形逻辑图的外观和风格与 PLC 接线图相同，工业工程师和技术人员将对此非常熟悉。
图 4 ：安装在 Phase Dock 工业培训平台上的 MIKROE TPD2015 图片。
图 5 ：图 4 所示系统的 MIKROE TPD2015 接线图。
用于 TPD2015 的 Arduino UNO 代码
下方展示了极简代码。请注意，Toshiba TPD2015FN 的控制输入 1 至 4 可直接在 mikroBus 上访问。其余未在本演示中使用的引脚可在一个独立的排针上获取。
// Use mikroBUS socket #2 of the Arduino UNO CLICK shield (MIKROE-5739)
#define PL_GREEN 15 // TPD2015FN in 1
#define PL_RED 3
#define CR1 9
#define CR2 16 // TPD2015FN in 4
#define OFF LOW
#define ON HIGH
void setup() {
pinMode(PL_GREEN, OUTPUT);
pinMode(PL_RED, OUTPUT);
pinMode(CR1, OUTPUT);
pinMode(CR2, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(PL_GREEN, ON);
delay(1000);
digitalWrite(CR1, ON);
delay(2000);
digitalWrite(CR2, ON);
digitalWrite(PL_GREEN, OFF);
digitalWrite(PL_RED, ON);
delay(2000);
digitalWrite(CR1, OFF);
digitalWrite(CR2, OFF);
digitalWrite(PL_RED, OFF);
delay(2000);
}
视频 1 ：在 Phase Dock 培训板中演示 MIKROE TPD2015。
Toshiba TPD2015FN 的局限性
Toshiba TPD2015FN 旨在为 24 VDC 工业和楼宇自动化控制系统提供完全集成的驱动器。其结果是一种紧凑的解决方案，包含八个独立驱动器，可节省 PCB 空间。外部电路要求仅限于电源去耦电容。需要外部二极管以防护与感性负载相关的反电动势电压。
驱动感性负载
续流二极管（也称为反激二极管、感性反冲二极管或 EMF 保护二极管）是必不可少的组件，用于保护半导体开关免受关断感性负载时产生的高压尖峰损害。许多（但并非全部）工业感性负载（如继电器）内置了续流二极管，或提供带有保护二极管的可选模块。图 4 所示的 Phoenix Contact 2903334 继电器包含一个 2900939 模块，用于在继电器断电时防护感性反冲。
仔细检查 TPD2015FN 数据手册可知，这些关键二极管并未内置。MIKROE TPD2015 也未包含这些二极管。为实现最大程度的保护，请务必安装Toshiba肖特基二极管 CRS20I40A(TE85L,QM)。若在驱动感性负载时未加入反激保护，将导致 TPD2015FN 损坏。
敬请关注后续文章，介绍如何在 MIKROE TPD2015 和 TPD2017 上安装保护二极管。
过电流 / 过载
TPD2015FN 被归类为 0.5 A 驱动器。也可将通道并联运行，以驱动 1 A 负载。该器件具备内部保护功能，可防止短路。虽然该集成电路设计有自保护功能，但仍建议加装适当规格的熔断器或断路器。
过热
该 MOSFET 在最坏情况下的导通电阻为 0.55 Ω。当典型过流激活电流为 1.8 A 时，单个过载通道可能会超过集成电路的绝对最大功耗限值。为防止器件损坏，当芯片温度（典型值）超过 175 °C 时，TPD2015FN 将关闭。随后，由于通道在典型的 20 °C 迟滞范围内交替加热和冷却，我们可预期会出现热循环现象。
后续步骤
本文旨在简要介绍智能继电器、PLC 及楼宇自动化设备中常用的 24 VDC 输出驱动器。为增进您的知识：
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请放心，工程师已在 PLC 中集成了先进的保护功能。投身于广阔而复杂的 PLC 应用领域。
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对 PLC 输出级进行逆向工程，重点关注光学隔离以保护敏感逻辑电路。
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探索工业环境中的静电放电（ESD）应用以及提高工业 I/O 可靠性的技术。参考 IEC 61131-2 和 61000-4-X 标准。
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探索驱动容性负载（如长电缆）所带来的影响。
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探索用于降低接触器保持电流的 PWM 技术。
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探索具备步进加方向接口的电机驱动器，并关注驱动器的开启与关闭时间。
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构建您自己的 PCB，采用Toshiba TPD2015 或 TPD2017。
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利用 TVS 二极管和中间继电器探索接触器的关断速度。
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探索有源钳位技术以消除续流二极管，可使用诸如Analog Devices MAX14912AKN+ 等先进驱动器。
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优化设计以平衡成本、性能与寿命。
结语
MIKROE TPD2015/17 为研究 24 VDC PLC 驱动器特性提供了出色的入门平台。该扩展板在 mikroBUS 生态系统中无论是从物理连接还是编程角度都非常易于使用。
敬请期待，我们将进一步探索 MIKROE-6072 24 VDC 数字输入模块。与 TPD2015 结合使用时，我们便具备了构建包含 8 路数字输入和 8 路数字输出的 DIY PLC 的基础。添加一个 MIKROE-5540 4-20 mA 模块，乐趣更多！
切勿忘记针对感性反冲进行保护。
继续探索工业控制系统
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