为下一代工业自动化控制器 构建高通道密度数字IO模块_通信世

时间:2022-09-29 10:47:36 作者:鼎博官网登录 来源:鼎博娱乐平台 asycn

  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。广泛使用的传感器正带来一个重要变化,即要在旧款控制器内处理大量IO,包括数字IO或模拟IO。由此,构建可控尺寸和热量的高密度IO模块成为关键。本文中ADI将重点介绍数字IO。

  通常,PLC中的数字IO由分立式器件,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寸,并且要求能够处理2到4倍的通道数,这些都促使从分立式方案向集成式方案转变。

  此外,分立式方法存在诸多缺点,尤其是每个模块处理的通道数达到8个或以上的情况。实际上,只要提到高热量/功耗、数量庞大的分立式组件(从尺寸和平均故障间隔时间(MTBF)角度),以及需要可靠的系统规格时,都足以说明分立式方法并不可行。

  图1显示在构建高密度数字输入(DI)和数字输出(DO)模块时面临的技术挑战。在DI和DO系统中,都需要考虑尺寸和散热问题。

  对于数字输入,还需注意它支持不同的输入类型,包括1/2/3类型的输入,以及在某些情况下,支持24V和48V输入。在所有情况下,可靠的工作特性都非常重要,甚至断路检测也至关重要。

  对于数字输出,系统使用不同的FET配置来驱动负载。驱动电流的精度通常是一个重要的考量因素。在许多情况下,诊断也必须考量。

  传统的分立式设计使用电阻分压器网络将24V/48V信号转换为微控制器可以使用的信号。前端也可以使用分立式RC滤波器。如果需要隔离,有时会使用外部光耦合器。

  这种类型的设计适合一定数量的数字输入,即每个板4到8个。超过这个数字,这种设计很快会变得不实用。此种分立式方案会带来各种问题,包括:

  更重要的是,分立式设计方法意味着输入电流随输入电压呈线V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。参见下方的图3:

  集成式数字输入设计的最大优势之一在于显著降低功耗,从而减少散热。大多数集成式数字输入器件允许可配置的输入电流限制,以显著降低功耗。

  当限流值设置为2.6mA时,功耗显著降低,每个通道约为60mW。8通道数字输入模块的额定值现在可以设置为低于0.5瓦,如下方的图4所示:

  反对使用分立式逻辑设计的另一个原因是:有时DI模块必须支持不同类型的输入。IEC公布的标准24V数字输入规格分为1型、2型和3型。1型和3型通常组合使用,因为其电流和阈值限值都非常相似。2型具有6mA限流值,要更高一些。采用分立式方法时,可能需要重新设计,因为大部分分立值都需要更新。

  集成式数字输入产品通常支持所有这三种类型。从本质看,1型和3型一般受到集成式数字输入器件支持。但是,为了满足2型输入最低6mA的电流要求,需要针对一个现场输入并联使用两个通道。而且只调节限流值电阻。这需要进行电路板变更,但变更很小。

  例如,当前ADI的DI器件限流值为3.5mA/通道。所以,如图所示,当并联使用两个通道,如果系统必须接入2型输入,则需调节REFDI电阻和RIN电阻。对于一些较新的部件,也可以使用引脚或通过软件来选择电流值。

  要支持48V数字输入信号(不是常见要求),需要使用类似流程,必须添加一个外部电阻来调节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”,需满足现场一端的电压阈值规范(参见器件数据手册)。

  最后,由于数字输入模块与传感器连接,因此设计必须符合可靠的工作特性要求。当使用分立式方案时,必须仔细设计这些保护功能。选择集成式数字输入器件时,确保根据行业规范确定以下各项:

  典型的分立式数字输出设计具有一个带驱动电路的FET,由微控制器进行驱动。可以使用不同的方法来配置FET,以驱动微控制器。

  高端负载开关的定义是:它由外部使能信号控制,并连接或断开电源与给定负载的连接。与低端负载开关相比,高端开关为负载提供电流,而低端开关连接或断开负载的接地连接,从负载获取电流。虽然它们都使用单个FET,但低端开关的问题在于:负载与接地之间可能短路。高端开关保护负载,防止接地短路。但是低端开关的实现成本更低。有时,输出驱动器也配置为推挽开关,需要两个MOSFET。参见下方的图6:

  集成式DO器件可以将多个DO通道集成到单个器件中。由于高端、低端和推挽开关使用的FET配置不同,因此可使用不同的器件来实现每种类型的输出驱动器。

  感性负载是任何包含线圈的器件,在通电后,通常执行一些机械工作,例如电磁阀、电机和执行器。电流引起的磁场可以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,工程师使用高端开关来控制感性负载,挑战在于,当开关打开,电流不再流入负载时,如何给电感放电。不当放电导致的负面影响包括:继电器触点可能拉弧、很大的负电压尖峰损坏敏感型IC,以及产生高频噪声或EMI,进而影响系统性能。

  在分立式方案中,对感性负载进行放电的最常见解决方案就是使用续流二极管。在本电路中,当开关闭合时,二极管被反向偏置且不导电。当开关打开时,通过电感的负电源电压会使二极管正向偏置,从而通过引导电流通过二极管的方式使存储能量衰减,直至达到稳定状态且电流为零。

  对于许多应用,特别是工业行业中每个IO卡具有多个输出通道的应用,该二极管通常尺寸很大,会导致成本和设计尺寸大幅增加。

  现代数字输出器件使用一种主动箝位电路在器件内实现这一功能。例如,ADI采用一项已获专利的安全消磁(SafeDemagTM)功能,允许数字输出器件在不受电感限制的情况下安全关闭负载。如需更多详情,请点此访问网站查看应用笔记。

  在选择数字输出器件时,需要考虑多个重要因素。应仔细考虑数据手册中的以下规格:

  ● 查看最大连续电流额定值,并确保在需要时可以并联多个输出,以获得更高电流的驱动器。

  ●确保输出器件能驱动多个高电流通道(超过温度范围)。参考数据手册,确保导通电阻、电源电流和热电阻值尽可能低。

  要从一些超出范围的工作条件下恢复,诊断信息就非常重要。首先,希望获取每个输出通道的诊断信息。其中包括温度、过电流、开路和短路。从整体(芯片)来看,重要诊断包括热关断、VDD欠压和SPI诊断。在集成式数字输出器件中查找部分或所有这些诊断。

  通过在IC上集成DI和DO,就能构建可配置产品。这是一个4通道产品示例,可以配置为输入或输出。

  它有一个DIO内核,这意味着可以在高端或推挽模式下将单个通道配置为DI(1/3型或2型)或数字输出。DO上的限流值可以设置为130mA至1.2A。内置消磁功能。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,无需使用外部电阻。

  这些器件不仅易于配置,而且坚固耐用,可在工业环境中工作。这意味着高ESD,提供高达60V的电源电压保护和线路接地浪涌保护。

  由此可见,这是一个可通过集成式方法来实现更多可能(可配置的DI/DO模块)的示例。

  当设计高密度数字输入或输出模块时,一旦通道密度超过一定数量,分立式方案就变得毫无意义。从散热、可靠性和尺寸方面考虑,必须仔细考虑集成式器件选项。

  而在选择集成式DI或DO器件时,则必须注意一些重要的数据要点,包括可靠的工作特性、诊断、支持多种输入-输出配置。