當(dāng)工業(yè)4.0浪潮席卷而來,，智能傳感器在工廠環(huán)境中日益普及,。廣泛使用的傳感器正帶來一個(gè)重要變化，即要在舊款控制器內(nèi)處理大量IO,，包括數(shù)字IO或模擬IO,。由此,，構(gòu)建可控尺寸和熱量的高密度IO模塊成為關(guān)鍵。本文中ADI將重點(diǎn)介紹數(shù)字IO,。

　　通常,，PLC中的數(shù)字IO由分立式器件，例如電阻/電容或有獨(dú)立FET驅(qū)動(dòng)組成,。為了盡可能減小控制器的尺寸,，并且要求能夠處理2到4倍的通道數(shù)，這些都促使從分立式方案向集成式方案轉(zhuǎn)變,。

　　此外,，分立式方法存在諸多缺點(diǎn)，尤其是每個(gè)模塊處理的通道數(shù)達(dá)到8個(gè)或以上的情況,。實(shí)際上,，只要提到高熱量/功耗、數(shù)量龐大的分立式組件（從尺寸和平均故障間隔時(shí)間（MTBF）角度）,，以及需要可靠的系統(tǒng)規(guī)格時(shí),，都足以說明分立式方法并不可行。

　　圖1顯示在構(gòu)建高密度數(shù)字輸入（DI）和數(shù)字輸出（DO）模塊時(shí)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),。在DI和DO系統(tǒng)中,，都需要考慮尺寸和散熱問題。

　　圖1.數(shù)字輸入和輸出模塊的考量因素

　　對(duì)于數(shù)字輸入,，還需注意它支持不同的輸入類型，包括1/2/3類型的輸入,，以及在某些情況下,，支持24V和48V輸入。在所有情況下,，可靠的工作特性都非常重要,，甚至斷路檢測(cè)也至關(guān)重要。

　　對(duì)于數(shù)字輸出,，系統(tǒng)使用不同的FET配置來驅(qū)動(dòng)負(fù)載,。驅(qū)動(dòng)電流的精度通常是一個(gè)重要的考量因素。在許多情況下,，診斷也必須考量,。

　　下面將探討集成解決方案如何幫助解決其中一些挑戰(zhàn),。

　　設(shè)計(jì)高通道密度數(shù)字輸入模塊

　　傳統(tǒng)的分立式設(shè)計(jì)使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將24V/48V信號(hào)轉(zhuǎn)換為微控制器可以使用的信號(hào)。前端也可以使用分立式RC濾波器,。如果需要隔離,，有時(shí)會(huì)使用外部光耦合器。

　　圖2顯示構(gòu)建數(shù)字輸入電路的一種典型的分立式方法,。

　　圖2.采用分立式邏輯的傳統(tǒng)數(shù)字輸入設(shè)計(jì)

　　這種類型的設(shè)計(jì)適合一定數(shù)量的數(shù)字輸入,，即每個(gè)板4到8個(gè)。超過這個(gè)數(shù)字,，這種設(shè)計(jì)很快會(huì)變得不實(shí)用,。此種分立式方案會(huì)帶來各種問題，包括：

　　高功耗和相關(guān)的板高溫點(diǎn),。

　　每個(gè)通道需要一個(gè)光耦合器,。

　　部件過多會(huì)導(dǎo)致FIT率低，甚至需要更大的器件,。

　　更重要的是,，分立式設(shè)計(jì)方法意味著輸入電流隨輸入電壓呈線性增加。假設(shè)采用一個(gè)2.2K?輸入電阻和24V VIN,。當(dāng)輸入為1,，例如，在24V時(shí),，輸入電流為11mA,，相當(dāng)于功耗為264mW。8通道模塊的功耗大于2W,，32通道模塊的功耗大于8W,。參見下方的圖3：

　　圖3.使用分立式邏輯構(gòu)建的數(shù)字輸入模塊的預(yù)估功耗

　　單從散熱角度，這個(gè)分立式設(shè)計(jì)無法支持單個(gè)板上的多個(gè)通道,。

　　集成式數(shù)字輸入設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)之一在于顯著降低功耗,，從而減少散熱。大多數(shù)集成式數(shù)字輸入器件允許可配置的輸入電流限制,，以顯著降低功耗,。

　　當(dāng)限流值設(shè)置為2.6mA時(shí)，功耗顯著降低,，每個(gè)通道約為60mW。8通道數(shù)字輸入模塊的額定值現(xiàn)在可以設(shè)置為低于0.5瓦,，如下方的圖4所示：

　　圖4.使用集成式DI芯片的數(shù)字輸入模塊的預(yù)估功率節(jié)省

　　反對(duì)使用分立式邏輯設(shè)計(jì)的另一個(gè)原因是：有時(shí)DI模塊必須支持不同類型的輸入,。IEC公布的標(biāo)準(zhǔn)24V數(shù)字輸入規(guī)格分為1型、2型和3型,。1型和3型通常組合使用,，因?yàn)槠潆娏骱烷撝迪拗刀挤浅Ｏ嗨啤?型具有6mA限流值，要更高一些。采用分立式方法時(shí),，可能需要重新設(shè)計(jì),，因?yàn)榇蟛糠址至⒅刀夹枰隆?/p>

　　集成式數(shù)字輸入產(chǎn)品通常支持所有這三種類型。從本質(zhì)看,，1型和3型一般受到集成式數(shù)字輸入器件支持,。但是，為了滿足2型輸入最低6mA的電流要求,，需要針對(duì)一個(gè)現(xiàn)場輸入并聯(lián)使用兩個(gè)通道,。而且只調(diào)節(jié)限流值電阻。這需要進(jìn)行電路板變更,，但變更很小,。

　　例如，當(dāng)前ADI的DI器件限流值為3.5mA/通道,。所以,，如圖所示，當(dāng)并聯(lián)使用兩個(gè)通道,，如果系統(tǒng)必須接入2型輸入,，則需調(diào)節(jié)REFDI電阻和RIN電阻。對(duì)于一些較新的部件,，也可以使用引腳或通過軟件來選擇電流值,。

　　圖5.并聯(lián)使用2個(gè)通道來支持2型數(shù)字輸入

　　要支持48V數(shù)字輸入信號(hào)（不是常見要求），需要使用類似流程,，必須添加一個(gè)外部電阻來調(diào)節(jié)現(xiàn)場一端的電壓閾值,。設(shè)置此外部電阻的值，使得引腳的“限流值*R+閾值”,，需滿足現(xiàn)場一端的電壓閾值規(guī)范（參見器件數(shù)據(jù)手冊(cè)）,。

　　最后，由于數(shù)字輸入模塊與傳感器連接,，因此設(shè)計(jì)必須符合可靠的工作特性要求,。當(dāng)使用分立式方案時(shí)，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)這些保護(hù)功能,。選擇集成式數(shù)字輸入器件時(shí),，確保根據(jù)行業(yè)規(guī)范確定以下各項(xiàng)：

　　寬輸入電壓范圍（例如，高達(dá)40V）,。

　　能夠使用現(xiàn)場電源（7V至65V）,。

　　能夠承受高ESD（±15kV ESD氣隙）和浪涌（一般為1KV）。

　　提供過電壓和過溫診斷也非常有用,，以便MCU采取合適的操作,。

　　設(shè)計(jì)高通道密度數(shù)字輸出模塊

　　典型的分立式數(shù)字輸出設(shè)計(jì)具有一個(gè)帶驅(qū)動(dòng)電路的FET,，由微控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?？梢允褂貌煌姆椒▉砼渲肍ET,，以驅(qū)動(dòng)微控制器。

　　高端負(fù)載開關(guān)的定義是：它由外部使能信號(hào)控制,，并連接或斷開電源與給定負(fù)載的連接,。與低端負(fù)載開關(guān)相比，高端開關(guān)為負(fù)載提供電流,，而低端開關(guān)連接或斷開負(fù)載的接地連接,，從負(fù)載獲取電流。雖然它們都使用單個(gè)FET,，但低端開關(guān)的問題在于：負(fù)載與接地之間可能短路,。高端開關(guān)保護(hù)負(fù)載，防止接地短路,。但是低端開關(guān)的實(shí)現(xiàn)成本更低,。有時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器也配置為推挽開關(guān),，需要兩個(gè)MOSFET,。參見下方的圖6：

　　圖6.數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器使用的不同配置

　　集成式DO器件可以將多個(gè)DO通道集成到單個(gè)器件中。由于高端,、低端和推挽開關(guān)使用的FET配置不同,，因此可使用不同的器件來實(shí)現(xiàn)每種類型的輸出驅(qū)動(dòng)器。

　　感性負(fù)載的內(nèi)置消磁

　　集成式數(shù)字輸出器件的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是器件本身內(nèi)置感性負(fù)載消磁功能,。

　　感性負(fù)載是任何包含線圈的器件,，在通電后，通常執(zhí)行一些機(jī)械工作,，例如電磁閥,、電機(jī)和執(zhí)行器。電流引起的磁場可以移動(dòng)繼電器或接觸器中的開關(guān)觸點(diǎn),，以操作電磁閥,，或旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軸。大多數(shù)情況下,，工程師使用高端開關(guān)來控制感性負(fù)載,，挑戰(zhàn)在于，當(dāng)開關(guān)打開,，電流不再流入負(fù)載時(shí),，如何給電感放電。不當(dāng)放電導(dǎo)致的負(fù)面影響包括：繼電器觸點(diǎn)可能拉弧,、很大的負(fù)電壓尖峰損壞敏感型IC,，以及產(chǎn)生高頻噪聲或EMI，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能,。

　　在分立式方案中,，對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行放電的最常見解決方案就是使用續(xù)流二極管。在本電路中,，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),，二極管被反向偏置且不導(dǎo)電。當(dāng)開關(guān)打開時(shí),，通過電感的負(fù)電源電壓會(huì)使二極管正向偏置,，從而通過引導(dǎo)電流通過二極管的方式使存儲(chǔ)能量衰減，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且電流為零,。

　　對(duì)于許多應(yīng)用,，特別是工業(yè)行業(yè)中每個(gè)IO卡具有多個(gè)輸出通道的應(yīng)用，該二極管通常尺寸很大,，會(huì)導(dǎo)致成本和設(shè)計(jì)尺寸大幅增加,。

　　現(xiàn)代數(shù)字輸出器件使用一種主動(dòng)箝位電路在器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一功能。例如,，ADI采用一項(xiàng)已獲專利的安全消磁（SafeDemagTM）功能,，允許數(shù)字輸出器件在不受電感限制的情況下安全關(guān)閉負(fù)載。如需更多詳情,，請(qǐng)點(diǎn)此訪問網(wǎng)站查看應(yīng)用筆記,。

　　在選擇數(shù)字輸出器件時(shí)，需要考慮多個(gè)重要因素,。應(yīng)仔細(xì)考慮數(shù)據(jù)手冊(cè)中的以下規(guī)格：

　　查看最大連續(xù)電流額定值,，并確保在需要時(shí)可以并聯(lián)多個(gè)輸出，以獲得更高電流的驅(qū)動(dòng)器,。

　　確保輸出器件能驅(qū)動(dòng)多個(gè)高電流通道（超過溫度范圍）,。參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，確保導(dǎo)通電阻,、電源電流和熱電阻值盡可能低,。

　　輸出電流驅(qū)動(dòng)精度規(guī)格也很重要。

　　要從一些超出范圍的工作條件下恢復(fù),，診斷信息就非常重要,。首先，希望獲取每個(gè)輸出通道的診斷信息,。其中包括溫度,、過電流、開路和短路,。從整體（芯片）來看,，重要診斷包括熱關(guān)斷,、VDD欠壓和SPI診斷。在集成式數(shù)字輸出器件中查找部分或所有這些診斷,。

　　可編程數(shù)字輸入/輸出器件

　　通過在IC上集成DI和DO,，就能構(gòu)建可配置產(chǎn)品。這是一個(gè)4通道產(chǎn)品示例,，可以配置為輸入或輸出,。

　　圖7.4通道實(shí)現(xiàn)方案的可配置DI/DO產(chǎn)品

　　它有一個(gè)DIO內(nèi)核，這意味著可以在高端或推挽模式下將單個(gè)通道配置為DI（1/3型或2型）或數(shù)字輸出,。DO上的限流值可以設(shè)置為130mA至1.2A,。內(nèi)置消磁功能。要在1/3型或2型數(shù)字輸入之間切換,，則只需設(shè)置一個(gè)引腳,，無需使用外部電阻。

　　這些器件不僅易于配置,，而且堅(jiān)固耐用,，可在工業(yè)環(huán)境中工作。這意味著高ESD,，提供高達(dá)60V的電源電壓保護(hù)和線路接地浪涌保護(hù),。

　　由此可見，這是一個(gè)可通過集成式方法來實(shí)現(xiàn)更多可能（可配置的DI/DO模塊）的示例,。

　　結(jié)論

　　當(dāng)設(shè)計(jì)高密度數(shù)字輸入或輸出模塊時(shí),，一旦通道密度超過一定數(shù)量，分立式方案就變得毫無意義,。從散熱,、可靠性和尺寸方面考慮，必須仔細(xì)考慮集成式器件選項(xiàng),。

　　而在選擇集成式DI或DO器件時(shí),，則必須注意一些重要的數(shù)據(jù)要點(diǎn)，包括可靠的工作特性,、診斷,、支持多種輸入-輸出配置。

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