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
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(nèi)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。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202208/437237.htm
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(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,需要針對一個現(xiàn)場輸入并聯(lián)使用兩個通道。而且只調(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品。這是一個4通道產(chǎn)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(chǎn)品
它有一個DIO內(nèi)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(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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