基于DIS的功能原理及實現(xiàn)高通道密度輸入模塊的設計

工業(yè)自動化和過程控制中的監(jiān)控需求日益增多，這種發(fā)展趨勢要求采用高通道密度的輸入模塊。在這些應用中，24V直流數(shù)字輸入（DI）是整個工業(yè)I/O市場中最大的一塊，它們捕獲來自眾多機械接觸和固態(tài)開關器件的雙狀態(tài)信號，并將其轉換成單比特二進制數(shù)字。

現(xiàn)代數(shù)字輸入模塊設計具有高通道數(shù)、小外形尺寸、低功耗和高數(shù)據(jù)速率要求。由于功耗高和組件數(shù)量多的原因，使用分立電阻二極管網(wǎng)絡的傳統(tǒng)輸入設計已無法滿足這些要求。數(shù)字輸入串行器（DIS）等新型創(chuàng)新電路設計的性能則遠遠超出上述要求，為未來數(shù)字輸入設計奠定了基礎。

本文首先概述了傳統(tǒng)數(shù)字輸入設計，并將其性能和集成于數(shù)字輸入串行器的創(chuàng)新功能進行對比，隨后重點介紹了DIS的功能原理，并說明如何利用其特性實現(xiàn)真正的高通道密度輸入模塊設計。

數(shù)字輸入開關特性

雖然DI可符合各種輸入特性，但最常用的還是IEC61131-2標準的1類、2類、3類特性（請參見圖1）。

1類特性檢測來自諸如繼電器開關、按鈕和開關等機械接觸開關器件的信號。1類特性可能并不適合于同傳感器和鄰近開關等固態(tài)器件一起使用。

2類特性檢測來自諸如老式雙線鄰近開關等、根據(jù)IEC*97-2標準而設計的高功耗、固態(tài)開關器件信號。這種特性還可以被用于1類和3類特性應用。

3類特性輸入不但可以和最先進的雙線鄰近開關等低功耗、固態(tài)開關器件一起使用，而且還可以用于一些1類特性應用中。上述輸入擁有比2類特性更低的功耗；因此，允許每個模塊具有更高的輸入通道密度。

傳統(tǒng)輸入通道設計

雖然存在一些使用不同R-D網(wǎng)絡的各種輸入設計，但是它們都具有下列相同要求：符合IEC61131-2標準1類特性、2類特性或3類特性的輸入開關特性；場側輸入狀態(tài)指示（IEC61131-2標準規(guī)定）；噪聲抑制防回跳（debounce）電路（盡管并未標準化，但兩個常見為1ms和3ms）；來自低壓PLC或I/O電子器件的24V場輸入電隔離。

圖2顯示了兩種輸入通道設計：輸入特性由RIN和RP電阻值決定；通過位于場側的LED指示開關狀態(tài)；通過R-C時間常量來實現(xiàn)噪聲抑制；并通過光學耦合器來提供電隔離。

例如，在一個32通道輸入模塊中，分立元件總數(shù)太多，以至于無法獲得高通道密度。

另一個缺點是“開啟”狀態(tài)下的功耗高。按照設計，輸入的開啟/關閉閾值一般出現(xiàn)在過渡區(qū)中間的某個位置（灰色陰影“開啟”和“關閉”區(qū)域之間的白色區(qū)域），輸入電流不斷上升，直到場輸入電壓達到其額定值24V。另外，IEC標準允許額定24V場電源在15%到20%范圍內變化，這樣實際上電壓達到30V時才會出現(xiàn)最大輸入功耗。

就圖1所示的1類特性開關而言，24V電壓時的11mA輸入電流和30V電壓時的13.5mA輸入電流，將分別產(chǎn)生260mW和400mW的功耗。該功耗被轉換成熱。由于分立組件的功耗效率較低，如果輸入通道相互之間過于靠近，則將在印刷電路板上形成“熱點”，這是降低高通道密度設計性能的另一個因素。

降低功耗、減少隔離器數(shù)量的第一步為圖3所示電路。這里，Q1附近一個恒定電流源提供了一個由RLIM值決定的規(guī)范定義的電流極限值。每一級均包括一個通過RF和CF的防回跳濾波器，在使用低容差組件時其可得到準確的防回跳時間。

這種電路的另一個好處是從24V場輸入降至5V邏輯電平的電平轉換，允許防回跳濾波器輸出狀態(tài)被鎖存到移位寄存器的并行輸入中。將并行場輸入信息轉換為串行數(shù)據(jù)流大大減少了所需的隔離器數(shù)量，并使隔離器數(shù)目不受輸入模塊通道數(shù)目影響。

數(shù)字輸入串行器

數(shù)字輸入串行器（DIS）專為商業(yè)和工業(yè)輸入應用量身設計，使用12V到24V直流額定電壓及最高34V輸入電壓。DIS可提供連接至雙線或三線DC接近開關、繼電器開關、按鈕開關、限位開關、浮控開關、選擇器開關和光電傳感器的8個并行輸入（圖4）。

開關的“開啟-關閉”狀態(tài)信息由信號調節(jié)級完成電平轉換和濾波，該調節(jié)級的8個并行輸出均被鎖存到串行器中。在外部控制器的管理下，串行器內容以串行的形式被輸出。數(shù)字隔離器可以提供一個獨立的接口，用于場側DIS和控制端基于PLC或PC系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器之間的控制和數(shù)據(jù)線路。通過將主要器件的串行輸出與后面器件的串行輸入連接，可以實現(xiàn)多個DIS器件的級聯(lián)，從而獲得具有高通道密度的數(shù)字輸入模塊設計。需要注意的是，輸入電阻RIN0:7是非IEC標準設計的可選組件。零輸入電阻允許具有分別為5V和4.5V的“開啟”和“關閉”閾值電壓的低壓開關。

但是，由于某些原因，工業(yè)輸入設計需要輸入電阻。在給定電流極限的情況下，這些電阻將場輸入閾值電壓電平轉換至IEC61131-2標準1類特性、2類特性和3類特性的中間區(qū)域。根據(jù)IEC61000-4-4和-4-5標準，在電磁兼容性測試（EMC）過程中，輸入電阻還具有部分猝發(fā)和浪涌保護作用。最后，輸入電阻還起到限流電阻的作用，從而防止器件短路時出現(xiàn)火災，這也是一種U.L認證要求。

集成的線性穩(wěn)壓器將24V電源電壓轉換成穩(wěn)壓后的5V輸出，以同時向內部器件和外部數(shù)字隔離器供電。

如果器件內部溫度超過150℃時，片上溫度傳感器便顯示故障狀態(tài)。溫度傳感器輸出可以通過外部LED顯示，或者通過隔離通道傳輸至系統(tǒng)控制器的中斷輸入。

電流檢測

每一條輸入通道均包括一個電流檢測和電壓檢測電路，它們將輸入信號與其各自的參考閾值進行對比。另外，電流檢測功能包括一個具有可調電流極限值范圍（0.2mA到5mA）的限流器電路。所有通道的電流極限均由外部高精確電阻RLIM的電阻值決定。

電流檢測和電壓檢測級的輸出均由AND功能進行柵極控制，并被用于保證輸入信號足夠穩(wěn)定的防回跳濾波器。也就是說，其持續(xù)時間必須超過濾波器防回跳時間，才能被看作是有效輸入。對于一個有效輸入信號，防回跳濾波器輸出會出現(xiàn)在串行器并行輸入上，準備隨同下一個負載脈沖一起被鎖存。與此同時，防回跳濾波器輸出對限流器（紅色虛線）內的開關進行控制，并將其朝向返回輸出REx方向開關。這樣，流經(jīng)外部LED（紅色粗線）的大部分輸入電流方向被改變，從而顯示一個有效的“開啟”狀態(tài)。

防回跳選擇邏輯決定了所有通道的防回跳時間。三種典型的值為：3ms、1ms和0ms。取值為0ms時，防回跳濾波器在內部被繞過，可以進行外部設置修改防回跳時間。

片上串行器將防回跳濾波器輸出內的并行信息轉換為串行數(shù)據(jù)流，為在隔離數(shù)據(jù)通道中進行傳輸做好了準備。串行器控制由控制器通過標準控制通道（如負載、時鐘和時鐘啟動等）來維持。高達100MHz時鐘頻率使得在不到500ns的時間內（從四個級聯(lián)DIS器件）掃描32個輸入成為可能。這極大地改善了數(shù)據(jù)吞吐能力、數(shù)據(jù)延遲和系統(tǒng)層節(jié)能狀況。

節(jié)能

傳統(tǒng)R-D結構的輸入電流不斷隨輸入電壓成比例上升，而DIS器件的限流器可以確保“開啟”狀態(tài)下輸入電流恒定。利用“關閉-開啟”過渡點后輸入電流變?yōu)楠毩㈦娏鳎蓸O大降低功耗。表中列舉出了三個IEC輸入特性下限流輸入相對于R-D輸入的節(jié)能情況，其源自于圖6中的輸入電流圖。

散熱

限流要求大幅增加了輸入電阻。因此，輸入場效應晶體管的I2R損耗在過渡點后急劇上升。該功率被轉換成熱量，并且必須得到有效散熱，因此才使用了封裝底部有一塊散熱焊盤的散熱增強型封裝。另外，PCB設計必須留有一塊足夠大的銅區(qū)域，以便在與散熱焊盤接觸時確保有效散熱。

有效的散熱使8個輸入通道能夠被集成到一個芯片中，從而為高通道密度設計奠定了基礎。

如欲熟悉散熱增強型封裝應用以及相關PCB布局，請參閱本文參考文獻部分的應用手冊SLMA002B。

節(jié)省空間

上面的介紹聽起來極為復雜，并且會占用較多空間，其實不然。例如，圖4所示數(shù)字輸入串行器采用了*x9.4mm的28引腳Power-Pad封裝。與帶有16個電阻和8個二極管的傳統(tǒng)8通道R-D輸入模塊的板級空間相比，該器件的空間占位非常小，幾乎可以忽略不計。

更多通道數(shù)目的模塊中，空間節(jié)省甚至更加明顯，如將4個DIS器件和一個32通道輸入模塊級聯(lián)時（圖8）。

現(xiàn)在，相比64個電阻和32個二極管，4個串行器占用空間極小。此外，將32個并行輸入轉換成一個串行數(shù)據(jù)流只使用一個四通道隔離器就足夠了，從而替代了32個光學耦合器。

本文小結

數(shù)字輸入串行器為創(chuàng)新型、高集成度系統(tǒng)解決方案，為高通道密度數(shù)字輸入模塊量身定做?？蓪崿F(xiàn)高通道密度設計的三個主要特性是：1）內部限流特性，相比傳統(tǒng)的電阻二極管結構能節(jié)能60%到80%；2）采用散熱增強型封裝，其輸入設計散熱效率遠遠高于分立組件；3）可以級聯(lián)多個串行器，且只需要一個隔離器電路。

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