介紹

位于高壓、惡劣、嘈雜的工廠車(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。在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們將研究I/O模塊數(shù)字輸入（DI）組件的傳統(tǒng)“分立”設(shè)計(jì)的局限性，這些設(shè)計(jì)集中在高功耗產(chǎn)生的熱量上。然后，我們提出了一種替代方案，與傳統(tǒng)方法相比，它具有幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Type 3的理想實(shí)現(xiàn)方案在邏輯高電平狀態(tài)下應(yīng)盡可能接近2mA，電壓轉(zhuǎn)換門(mén)限在5V至11V之間。

3類(lèi)接收器的典型分立式實(shí)現(xiàn)如圖2所示。隔離利用光耦合器提供。接收到的輸入信號(hào)閾值使用分壓器R1和R2設(shè)置，然后使用具有遲滯的電壓比較器解釋為邏輯高電平或邏輯低電平（以提供抗擾度）。

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)。由于現(xiàn)場(chǎng)電壓（24V或更高）遠(yuǎn)高于PLC邏輯電壓（5V或更低），因此DI的一個(gè)關(guān)鍵要求是出于安全原因在兩個(gè)域之間提供電氣隔離。

圖2.帶基本限流的數(shù)字輸入

這種電路配置效率低下，因?yàn)樗鼉H使用電阻來(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 的電流。

在緊湊的多通道模塊中，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?？梢詷?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、晶體管、基準(zhǔn)電壓源和比較器。該解決方案的電流消耗通常為5mA，是3類(lèi)輸入的理想電流2mA的兩倍，并且這種設(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，雖然限流比使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器更準(zhǔn)確，但其工作的數(shù)字輸入電壓范圍可能非常有限。

圖3.具有離散電流限制功能的DI

減小功耗和尺寸

離散組件方法的一個(gè)更好的替代方案是使用集成解決方案。與分立式解決方案相比，這有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。電流消耗降低到更接近Type 3輸入的理想規(guī)格的水平，電流限制變得更加精確，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 （最大值）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），與限流分立式方案的210mW （24V ×8.75mA典型值）相比，功耗降低了三倍以上。在整個(gè)電壓輸入范圍內(nèi)，電流消耗限制在2.1mA至2.6mA之間，變化僅為25%。與分立式解決方案相比，這是一個(gè)巨大的改進(jìn)，在分立解決方案中，電流變化可能超過(guò)100%。與其他集成解決方案相比，這也是一個(gè)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。該器件兼容 48V 輸入，并增加了外部電阻器。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)是工作電流來(lái)自輸入信號(hào)，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

小型 6 引腳 SOT23 封裝尺寸為 2.8mm × 2.9mm，與分立元件方案相比，所需電路板面積減少了多達(dá) 40%。根據(jù)所需的應(yīng)用，該器件可配置為拉電流或灌電流。它具有 250ns 的快速響應(yīng)時(shí)間，支持高速 DI 器件，1kV 浪涌保護(hù)（使用外部 TVS）即使在最具挑戰(zhàn)性的工業(yè)條件下也能確保魯棒性。

圖5中的熱圖像顯示了與分立式DI方案相比，使用該IC時(shí)的有效散熱效果。兩種解決方案都在同一電路板上，在典型的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，單個(gè)24V輸入信號(hào)記錄的溫差》15°C。在多通道模塊的密閉空間中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)現(xiàn)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 介紹 了 一種 寄生 供電 的 數(shù)字 輸入 IC， 該 IC 提供 了 更小、 更 低功耗 的 解決 方案， 且 發(fā)熱 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)隔離的輸入和具有電流吸收/拉出輸入的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷