為下一代工業(yè)自動(dòng)化控制器構(gòu)建高通道密度數(shù)字IO模塊

目前有很多文章都在介紹工業(yè)4.0，智能傳感器在工廠環(huán)境中也日益普及（我和其他作者都寫過這些話題）。雖然我們都注意到，在工廠、加工廠甚至一些新構(gòu)建的自動(dòng)化系統(tǒng)中，傳感器的使用明顯增加，但廣泛使用的傳感器也帶來一個(gè)重要變化，就是需要在這些舊款控制器內(nèi)處理大量IO。這些IO可能是數(shù)字IO或模擬IO。這就需要構(gòu)建存在尺寸和熱量限制的高密度IO模塊。

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。

我們可以用整篇文章來闡述分立式方法的缺點(diǎn)，尤其是每個(gè)模塊處理的通道數(shù)達(dá)到8個(gè)或以上的情況下，但只要說到高熱量/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，就已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，可靠的工作特性非常重要，有時(shí)，斷路檢測也至關(guān)重要。

對于數(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，診斷也非常重要。

我們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信號轉(zhuǎn)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(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離散方法。

圖2. 數(shù)字輸入和輸出模塊的考量因素。

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。這種分立式方案會(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。參見下方的表1：

表1.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，如下方的表2所示：

表2.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>

但是，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，我們需要針對一個(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。

圖3 .采用分立式邏輯的傳統(tǒng)數(shù)字輸入設(shè)計(jì)。

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

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(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(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)。可以使用不同的方法來配置FET，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4。

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。

圖4. 使用分立式邏輯構(gòu)建的數(shù)字輸入模塊的預(yù)估功耗。

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能量衰減，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且電流為零。

對于許多應(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)獲取專利的安全消磁(SafeDemag?)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。

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，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。

圖5. 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。

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，您希望獲取每個(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。

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，我們只需設(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)。

這是一個(gè)可能完全不同產(chǎn)品（可配置的DI/DO模塊）的示例，可通過集成式方法實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)高密度數(shù)字輸入或輸出模塊時(shí)，明顯可以看出，當(dāng)通道密度超過一定數(shù)量時(shí)，分立式方案毫無意義。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)。在選擇集成式DI或DO器件時(shí)，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。