為下一代工業(yè)自動化控制器 構建高通道密度數(shù)字IO模塊

【導讀】當工業(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重要變化，即要在舊款控制器內處理大量IO，包括數(shù)字IO或模擬IO。由此，構建可控尺寸和熱量的高密度IO模塊成為關鍵。本文中ADI將重點介紹數(shù)字IO。

通常，PLC中的數(shù)字IO由分立式器件，例如電阻/電容或有獨立FET驅動組成。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變。

此外，分立式方法存在諸多缺點，尤其是每個模塊處理的通道數(shù)達到8個或以上的情況。實際上，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間(MTBF)角度），以及需要可靠的系統(tǒng)規(guī)格時，都足以說明分立式方法并不可行。

圖1顯示在構建高密度數(shù)字輸入(DI)和數(shù)字輸出(DO)模塊時面臨的技術挑戰(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，甚至斷路檢測也至關重要。

對于數(shù)字輸出，系統(tǒng)使用不同的FET配置來驅動負載。驅動電流的精度通常是一個重要的考量因素。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)。

設計高通道密度數(shù)字輸入模塊

傳統(tǒng)的分立式設計使用電阻分壓器網(wǎng)絡將24V/48V信號轉換為微控制器可以使用的信號。前端也可以使用分立式RC濾波器。如果需要隔離，有時會使用外部光耦合器。

圖2顯示構建數(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)字輸入設計

這種類型的設計適合一定數(shù)量的數(shù)字輸入，即每個板4到8個。超過這個數(shù)字，這種設計很快會變得不實用。此種分立式方案會帶來各種問題，包括：

● 高功耗和相關的板高溫點。

● 每個通道需要一個光耦合器。

● 部件過多會導致FIT率低，甚至需要更大的器件。

更重要的是，分立式設計方法意味著輸入電流隨輸入電壓呈線性增加。假設采用一個2.2K?輸入電阻和24V VIN。當輸入為1，例如，在24V時，輸入電流為11mA，相當于功耗為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.使用分立式邏輯構建的數(shù)字輸入模塊的預估功耗

單從散熱角度，這個分立式設計無法支持單個板上的多個通道。

集成式數(shù)字輸入設計的最大優(yōu)勢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。

當限流值設置為2.6mA時，功耗顯著降低，每個通道約為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)字輸入模塊的預估功率節(jié)省

反對使用分立式邏輯設計的另一個原因是：有時DI模塊必須支持不同類型的輸入。IEC公布的標準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，因為其電流和閾值限值都非常相似。2型具有6mA限流值，要更高一些。采用分立式方法時，可能需要重新設計，因為大部分分立值都需要更新。

集成式數(shù)字輸入產品通常支持所有這三種類型。從本質看，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，需要針對一個現(xiàn)場輸入并聯(lián)使用兩個通道。而且只調節(jié)限流值電阻。這需要進行電路板變更，但變更很小。

例如，當前ADI的DI器件限流值為3.5mA/通道。所以，如圖所示，當并聯(lián)使用兩個通道，如果系統(tǒng)必須接入2型輸入，則需調節(jié)REFDI電阻和RIN電阻。對于一些較新的部件，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個通道來支持2型數(shù)字輸入

要支持48V數(shù)字輸入信號（不是常見要求），需要使用類似流程，必須添加一個外部電阻來調節(jié)現(xiàn)場一端的電壓閾值。設置此外部電阻的值，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）。

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

● 寬輸入電壓范圍（例如，高達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。

設計高通道密度數(shù)字輸出模塊

典型的分立式數(shù)字輸出設計具有一個帶驅動電路的FET，由微控制器進行驅動?？梢允褂貌煌姆椒▉砼渲肍ET，以驅動微控制器。

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

圖6.數(shù)字輸出驅動器使用的不同配置

集成式DO器件可以將多個DO通道集成到單個器件中。由于高端、低端和推挽開關使用的FET配置不同，因此可使用不同的器件來實現(xiàn)每種類型的輸出驅動器。

感性負載的內置消磁

集成式數(shù)字輸出器件的關鍵優(yōu)勢之一是器件本身內置感性負載消磁功能。

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

在分立式方案中，對感性負載進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，當開關閉合時，二極管被反向偏置且不導電。當開關打開時，通過電感的負電源電壓會使二極管正向偏置，從而通過引導電流通過二極管的方式使存儲能量衰減，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)且電流為零。

對于許多應用，特別是工業(yè)行業(yè)中每個IO卡具有多個輸出通道的應用，該二極管通常尺寸很大，會導致成本和設計尺寸大幅增加。

現(xiàn)代數(shù)字輸出器件使用一種主動箝位電路在器件內實現(xiàn)這一功能。例如，ADI采用一項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閉負載。如需更多詳情，請點此訪問網(wǎng)站查看應用筆記。

在選擇數(shù)字輸出器件時，需要考慮多個重要因素。應仔細考慮數(shù)據(jù)手冊中的以下規(guī)格：

● 查看最大連續(xù)電流額定值，并確保在需要時可以并聯(lián)多個輸出，以獲得更高電流的驅動器。

● 確保輸出器件能驅動多個高電流通道（超過溫度范圍）。參考數(shù)據(jù)手冊，確保導通電阻、電源電流和熱電阻值盡可能低。

● 輸出電流驅動精度規(guī)格也很重要。

要從一些超出范圍的工作條件下恢復，診斷信息就非常重要。首先，希望獲取每個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

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

圖7.4通道實現(xiàn)方案的可配置DI/DO產品

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

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

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

結論

當設計高密度數(shù)字輸入或輸出模塊時，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，必須仔細考慮集成式器件選項。

而在選擇集成式DI或DO器件時，則必須注意一些重要的數(shù)據(jù)要點，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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審核編輯：湯梓紅