介紹

位于高壓、惡劣、嘈雜的工廠(chǎng)車(chē)間環(huán)境和復(fù)雜的低壓可編程邏輯控制器 （PLC） 之間的邊界是經(jīng)常被忽視且不起眼的數(shù)字 I/O 模塊。由于應(yīng)用用途的多樣性以及對(duì)電氣隔離、小尺寸和低功耗的共同要求，這些模塊的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們將研究 I/O 模塊的數(shù)字輸入 （DI） 組件的傳統(tǒng)“離散”設(shè)計(jì)的局限性，重點(diǎn)關(guān)注高功耗產(chǎn)生的熱量。然后，我們提出了一種替代方案，與傳統(tǒng)方法相比，它提供了幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

用于 PLC 的 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種不同類(lèi)型的數(shù)字輸入接收器：類(lèi)型 1、2 和 3。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，類(lèi)型 3 的理想實(shí)現(xiàn)應(yīng)在邏輯高狀態(tài)下盡可能接近 2mA 并具有電壓5V和11V之間的過(guò)渡閾值。

圖 2 說(shuō)明了 3 類(lèi)接收器的典型分立實(shí)現(xiàn)。使用光耦合器提供隔離。使用分壓器 R1 和 R2 設(shè)置接收的輸入信號(hào)閾值，然后使用具有遲滯的電壓比較器將其解釋為邏輯高電平或邏輯低電平（以提供抗噪性）。

數(shù)字輸入設(shè)計(jì)

數(shù)字 I/O 模塊通常由 16 或 32 個(gè)數(shù)字輸入或數(shù)字輸出 （DO） 通道組成。某些模塊允許根據(jù)需要將通道配置為 DI 或 DO。數(shù)字輸入與 PLC 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一起使用，以接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器和開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)。由于場(chǎng)電壓（24V 或更高）遠(yuǎn)高于 PLC 邏輯電壓（5V 或更低），出于安全原因，DI 的一個(gè)關(guān)鍵要求是在兩個(gè)域之間提供電氣隔離。

圖 2. 具有基本電流限制的數(shù)字輸入

這種電路配置效率低下，因?yàn)樗皇褂?a target="_blank">電阻器來(lái)限制電流消耗（這顯然取決于電壓）。對(duì)于 32V 輸入，此配置可消耗超過(guò) 10mA。

在緊湊型多通道模塊中，功耗（及其相關(guān)的散熱）是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此，必須實(shí)施更復(fù)雜的電流限制形式。可以構(gòu)建定制設(shè)計(jì)的限流電路，但需要 10 多個(gè)分立元件：TVS、電阻器、晶體管、電壓基準(zhǔn)和比較器。該解決方案的電流消耗通常為 5mA，是 Type 3 輸入理想的 2mA 的兩倍多，而且這種設(shè)計(jì)消耗的電路板面積相對(duì)較大。這種方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是，雖然電流限制比使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器更準(zhǔn)確，但其作用的數(shù)字輸入電壓范圍可能非常有限。

圖 3. 具有離散電流限制的 DI

降低功率和尺寸

分立元件方法的一個(gè)更好的替代方案是使用集成解決方案。與分立解決方案相比，這具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。電流消耗降低到更接近 3 類(lèi)輸入的理想規(guī)格的水平，并且電流限制變得更加準(zhǔn)確，這兩者都有助于減少散熱。與分立解決方案相比，集成器件還可以在更寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并有可能減少電路板面積。

圖 4 所示的寄生供電數(shù)字輸入是符合 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)的完全集成數(shù)字輸入，可將 24V 數(shù)字工業(yè)輸入轉(zhuǎn)換為 2.6mA（最大）電流以驅(qū)動(dòng)光隔離器。單個(gè) DI 通道的功耗約為 65mW（24V 2.6mA），與限流分立實(shí)現(xiàn)的 210mW（24V × 8.75mA 典型值）相比，功耗降低了三分之一以上。在整個(gè)電壓輸入范圍內(nèi)，電流消耗被限制在 2.1mA 至 2.6mA 之間，變化僅為 25%。這是對(duì)電流變化超過(guò) 100% 的離散解決方案的巨大改進(jìn)。這也是對(duì)其他集成解決方案的改進(jìn)，這些解決方案的電流范圍為每通道 2.3mA 至 3.4mA，變化幅度為 35%。電壓閾值和電流水平符合 1 類(lèi)和 3 類(lèi)輸入。該器件與 48V 輸入兼容，并增加了外部電阻。它提供 60V 的最大工作電壓，而其他典型集成解決方案僅允許 45V。另一個(gè)吸引人的特點(diǎn)是工作電流從輸入信號(hào)中提取，無(wú)需專(zhuān)用的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)電源，從而簡(jiǎn)化了電路板布局。

圖 4. MAX22191 功能框圖

與分立元件實(shí)施相比，尺寸為 2.8mm × 2.9mm 的小型 6 引腳 SOT23 封裝可將所需的電路板面積減少多達(dá) 40%。根據(jù)所需的應(yīng)用，該部件可以配置為提供或吸收電流。它具有 250ns 的快速響應(yīng)時(shí)間，支持高速 DI 設(shè)備，1kV 浪涌保護(hù)（使用外部 TVS）即使在最具挑戰(zhàn)性的工業(yè)條件下也能確保穩(wěn)健性。

圖 5 中的熱圖像顯示了與分立 DI 實(shí)施相比，使用該 IC 時(shí)的有效熱量減少。兩種解決方案都在同一個(gè)板上，在典型的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，對(duì)于單個(gè) 24V 輸入信號(hào)，記錄的溫差 》 15°C。在多通道模塊的有限空間內(nèi)減少熱量的潛力是顯而易見(jiàn)的。

圖 5. 分立 DI 與 MAX22191 的熱圖像

結(jié)論

我們回顧了 PLC 數(shù)字輸入的典型分立元件實(shí)施的局限性，然后將其性能與幾乎完全集成的方法進(jìn)行了比較。我們展示了一種寄生供電的數(shù)字輸入 IC，它提供了一個(gè)更小、更低功率的解決方案，同時(shí)產(chǎn)生的熱量也少得多。它適用于過(guò)程自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)控制、單獨(dú)隔離輸入和具有電流吸收/輸出輸入的應(yīng)用。

作者：Michael Jackson，Sean Long

審核編輯：郭婷