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
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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