新闻

当工业4.0浪潮席卷而来，智能传感器在工厂环境中日益普及。广泛运用的传感器正带来一个重要改变，即要在旧款控制器内处理很多IO，包含数字IO或模拟IO。由此，构建可控尺度和热量的高密度IO模块成为要害。本文中ADI将重点介绍数字IO。

一般，PLC中的数字IO由分立式器材，例如电阻/电容或有独立FET驱动组成。为了尽可能减小控制器的尺度，并且要求能够处理2到4倍的通道数，这些都促进从分立式计划向集成式计划改变。

此外，分立式办法存在许多缺陷，尤其是每个模块处理的通道数到达8个或以上的情况。实际上，只需说到高热量/功耗、数量巨大的分立式组件(从尺度和均匀毛病间隔时间(MTBF)视点)，以及需求牢靠的体系标准时，都足以阐明分立式办法并不可行。

图1显示在构建高密度数字输入(DI)和数字输出(DO)模块时面对的技术应战。在DI和DO体系中，都需求考虑尺度和散热问题。

关于数字输入，还需注意它支撑不同的输入类型，包含1/2/3类型的输入，以及在某些情况下，支撑24V和48V输入。在一切情况下，牢靠的作业特性都非常重要，乃至断路检测也至关重要。

关于数字输出，体系运用不同的FET装备来驱动负载。驱动电流的精度一般是一个重要的考量要素。在许多情况下，确诊也有必要考量。

下面将讨论集成处理计划如何协助处理其间一些应战。

规划高通道密度数字输入模块

传统的分立式规划运用电阻分压器网络将24V/48V信号转换为微控制器能够运用的信号。前端也能够运用分立式RC滤波器。假如需求隔离，有时会运用外部光耦合器。

这种类型的规划适合必定数量的数字输入，即每个板4到8个。超越这个数字，这种规划很快会变得不实用。此种分立式计划会带来各种问题，包含：

高功耗和相关的板高温点。

每个通道需求一个光耦合器。

部件过多会导致FIT率低，乃至需求更大的器材。

更重要的是，分立式规划办法意味着输入电流随输入电压呈线性添加。假设采用一个2.2K?输入电阻和24V VIN。当输入为1.例如，在24V时，输入电流为11mA，相当于功耗为264mW。8通道模块的功耗大于2W，32通道模块的功耗大于8W。拜见下方的图3：

单从散热视点，这个分立式规划无法支撑单个板上的多个通道。

集成式数字输入规划的最大优势之一在于明显下降功耗，然后减少散热。大多数集成式数字输入器材允许可装备的输入电流约束，以明显下降功耗。

当限流值设置为2.6mA时，功耗明显下降，每个通道约为60mW。8通道数字输入模块的额定值现在能够设置为低于0.5瓦，如下方的图4所示：

反对运用分立式逻辑规划的另一个原因是：有时DI模块有必要支撑不同类型的输入。IEC发布的标准24V数字输入标准分为1型、2型和3型。1型和3型一般组合运用，由于其电流和阈值限值都非常类似。2型具有6mA限流值，要更高一些。采用分立式办法时，可能需求从头规划，由于大部分分立值都需求更新。

集成式数字输入产品一般支撑一切这三种类型。从实质看，1型和3型一般遭到集成式数字输入器材支撑。但是，为了满意2型输入最低6mA的电流要求，需求针对一个现场输入并联运用两个通道。而且只调理限流值电阻。这需求进行电路板改变，但改变很小。

例如，当时ADI的DI器材限流值为3.5mA/通道。所以，如图所示，当并联运用两个通道，假如体系有必要接入2型输入，则需调理REFDI电阻和RIN电阻。关于一些较新的部件，也能够运用引脚或经过软件来挑选电流值。

要支撑48V数字输入信号(不是常见要求)，需求运用类似流程，有必要添加一个外部电阻来调理现场一端的电压阈值。设置此外部电阻的值，使得引脚的“限流值*R 阈值”，需满意现场一端的电压阈值标准(拜见器材数据手册)。

最终，由于数字输入模块与传感器衔接，因此规划有必要契合牢靠的作业特性要求。当运用分立式计划时，有必要细心规划这些维护功用。挑选集成式数字输入器材时，保证根据行业标准确认以下各项：

宽输入电压规模(例如，高达40V)。

能够运用现场电源(7V至65V)。

能够承受高ESD(?15kV ESD气隙)和浪涌(一般为1KV)。

供给过电压和过温确诊也非常有用，以便MCU采取合适的操作。

规划高通道密度数字输出模块

典型的分立式数字输出规划具有一个带驱动电路的FET，由微控制器进行驱动。能够运用不同的办法来装备FET，以驱动微控制器。

高端负载开关的界说是：它由外部使能信号控制，并衔接或断开电源与给定负载的衔接。与低端负载开关相比，高端开关为负载供给电流，而低端开关衔接或断开负载的接地衔接，从负载获取电流。尽管它们都运用单个FET，但低端开关的问题在于：负载与接地之间可能短路。高端开关维护负载，避免接地短路。但是低端开关的完成本钱更低。有时，输出驱动器也装备为推挽开关，需求两个MOSFET。拜见下方的图6：

集成式DO器材能够将多个DO通道集成到单个器材中。由于高端、低端和推挽开关运用的FET装备不同，因此可运用不同的器材来完成每种类型的输出驱动器。

理性负载的内置消磁

集成式数字输出器材的要害优势之一是器材自身内置理性负载消磁功用。

理性负载是任何包含线圈的器材，在通电后，一般执行一些机械作业，例如电磁阀、电机和执行器。电流引起的磁场能够移动继电器或接触器中的开关触点，以操作电磁阀，或旋转电机的轴。大多数情况下，工程师运用高端开关来控制理性负载，应战在于，当开关打开，电流不再流入负载时，如何给电感放电。不妥放电导致的负面影响包含：继电器触点可能拉弧、很大的负电压尖峰损坏灵敏型IC，以及产生高频噪声或EMI，进而影响体系性能。

在分立式计划中，对理性负载进行放电的最常见处理计划就是运用续流二极管。在本电路中，当开封闭合时，二极管被反向偏置且不导电。当开关打开时，经过电感的负电源电压会使二极管正向偏置，然后经过引导电流经过二极管的方法使存储能量衰减，直至到达安稳状况且电流为零。

关于许多应用，特别是工业行业中每个IO卡具有多个输出通道的应用，该二极管一般尺度很大，会导致本钱和规划尺度大幅添加。

现代数字输出器材运用一种主动箝位电路在器材内完成这一功用。例如，ADI采用一项已获专利的安全消磁(SafeDemagTM)功用，允许数字输出器材在不受电感约束的情况下安全封闭负载。如需更多概况，请点此访问网站检查应用笔记。

在挑选数字输出器材时，需求考虑多个重要要素。应细心考虑数据手册中的以下标准：

检查最大连续电流额定值，并保证在需求时能够并联多个输出，以取得更高电流的驱动器。

保证输出器材能驱动多个高电流通道(超越温度规模)。参考数据手册，保证导通电阻、电源电流和热电阻值尽可能低。

输出电流驱动精度标准也很重要。

要从一些超出规模的作业条件下康复，确诊信息就非常重要。首先，希望获取每个输出通道的确诊信息。其间包含温度、过电流、开路和短路。从全体(芯片)来看，重要确诊包含热关断、VDD欠压和SPI确诊。在集成式数字输出器材中查找部分或一切这些确诊。

可编程数字输入/输出器材

经过在IC上集成DI和DO，就能构建可装备产品。这是一个4通道产品示例，能够装备为输入或输出。

它有一个DIO内核，这意味着能够在高端或推挽形式下将单个通道装备为DI(1/3型或2型)或数字输出。DO上的限流值能够设置为130mA至1.2A。内置消磁功用。要在1/3型或2型数字输入之间切换，则只需设置一个引脚，无需运用外部电阻。

这些器材不只易于装备，而且坚固耐用，可在工业环境中作业。这意味着高ESD，供给高达60V的电源电压维护和线路接地浪涌维护。

由此可见，这是一个可经过集成式办法来完成更多可能(可装备的DI/DO模块)的示例。

结论

当规划高密度数字输入或输出模块时，一旦通道密度超越必定数量，分立式计划就变得毫无意义。从散热、牢靠性和尺度方面考虑，有必要细心考虑集成式器材选项。

而在挑选集成式DI或DO器材时，则有必要注意一些重要的数据要点，包含牢靠的作业特性、确诊、支撑多种输入-输出装备。