當工業4.0浪潮席卷而來，智能傳感器在工廠環境中日益普及。廣泛使用的傳感器正帶來一個重要變化
，即要在舊款控製器內處理大量IO，包括數字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將重點介紹數字IO。

　　通常，PLC中的數字IO由分立式器件，例如電阻/電容或有獨立FET驅動組成。為了盡可能減小控製器的尺寸，並且要求能夠處理2到4倍的通道數，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達到8個或以上的情況。實際上，隻要提到高熱量/功耗、數量龐大的分立式組件（從尺寸和平均故障間隔時間(MTBF)角度），以及需要可靠的係統規格時，都足以說明分立式方法並不可行。

　　圖1顯示在構建高密度數字輸入(DI)和數字輸出(DO)模塊時麵臨的技術挑戰。在DI和DO係統中，都需要考慮尺寸和散熱問題。

圖1.數字輸入和輸出模塊的考量因素

　　對於數字輸入
，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。

　　對於數字輸出
，係統使用不同的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。

　　下麵將探討集成解決方案如何幫助解決其中一些挑戰。

　　設計高通道密度數字輸入模塊

　　傳統的分立式設計使用電阻分壓器網絡將24V/48V信號轉換為微控製器可以使用的信號。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數字輸入設計

　　這種類型的設計適合一定數量的數字輸入，即每個板4到8個。超過這個數字
，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2.2KΩ輸入電阻和24V VIN。當輸入為1，例如，在24V時，輸入電流為11mA
，相當於功耗為264mW。8通道模塊的功耗大於2W
，32通道模塊的功耗大於8W。參見下方的圖3：

圖3.使用分立式邏輯構建的數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。

　　jichengshishuzishurushejidezuidayoushizhiyizaiyuxianzhujiangdigonghao，congerjianshaosanre。daduoshujichengshishuzishuruqijianyunxukepeizhideshurudianliuxianzhi，yixianzhujiangdigonghao。

　　當限流值設置為2.6mA時，功耗顯著降低，每個通道約為60mW。8通道數字輸入模塊的額定值現在可以設置為低於0.5瓦，如下方的圖4所示：

圖4.使用集成式DI芯片的數字輸入模塊的預估功率節省

　　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數字輸入規格分為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。

　　集成式數字輸入產品通常支持所有這三種類型。從本質看
，1型和3型一般受到集成式數字輸入器件支持。但是，為了滿足2型輸入最低6mA的電流要求，需要針對一個現場輸入並聯使用兩個通道。而且隻調節限流值電阻。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
，當並聯使用兩個通道
，如果係統必須接入2型輸入，則需調節REFDI電阻和RIN電阻。對於一些較新的部件，也可以使用引腳或通過軟件來選擇電流值。

圖5.並聯使用2個通道來支持2型數字輸入

　　要支持48V數字輸入信號（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節現場一端的電壓閾值。設置此外部電阻的值
，使得引腳的“限流值*R+閾值”
，需滿足現場一端的電壓閾值規範（參見器件數據手冊）。

　　最zui後hou，由you於yu數shu字zi輸shu入ru模mo塊kuai與yu傳chuan感gan器qi連lian接jie，因yin此ci設she計ji必bi須xu符fu合he可ke靠kao的de工gong作zuo特te性xing要yao求qiu。當dang使shi用yong分fen立li式shi方fang案an時shi
，必bi須xu仔zai細xi設she計ji這zhe些xie保bao護hu功gong能neng。選xuan擇ze集ji成cheng式shi數shu字zi輸shu入ru器qi件jian時shi，確que保bao根gen據ju行xing業ye規gui範fan確que定ding以yi下xia各ge項xiang：

• 寬輸入電壓範圍（例如，高達40V）。
• 能夠使用現場電源（7V至65V）。
• 能夠承受高ESD（±15kV ESD氣隙）和浪湧（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。

　　設計高通道密度數字輸出模塊

　　典型的分立式數字輸出設計具有一個帶驅動電路的FET，由微控製器進行驅動。可以使用不同的方法來配置FET，以驅動微控製器。

　　高端負載開關的定義是：它ta由you外wai部bu使shi能neng信xin號hao控kong製zhi，並bing連lian接jie或huo斷duan開kai電dian源yuan與yu給gei定ding負fu載zai的de連lian接jie。與yu低di端duan負fu載zai開kai關guan相xiang比bi，高gao端duan開kai關guan為wei負fu載zai提ti供gong電dian流liu
，而er低di端duan開kai關guan連lian接jie或huo斷duan開kai負fu載zai的de接jie地di連lian接jie
，從cong負fu載zai獲huo取qu電dian流liu。雖sui然ran它ta們men都dou使shi用yong單dan個geFET，但低端開關的問題在於：fuzaiyujiedizhijiankenengduanlu。gaoduankaiguanbaohufuzai，fangzhijiediduanlu。danshididuankaiguandeshixianchengbengengdi。youshi，shuchuqudongqiyepeizhiweituiwankaiguan
，xuyaolianggeMOSFET。參見下方的圖6：

圖6.數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。由於高端、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每種類型的輸出驅動器。

　　感性負載的內置消磁

　　集成式數字輸出器件的關鍵優勢之一是器件本身內置感性負載消磁功能。

　　感性負載是任何包含線圈的器件，在通電後，通常執行一些機械工作
，例如電磁閥、電dian機ji和he執zhi行xing器qi。電dian流liu引yin起qi的de磁ci場chang可ke以yi移yi動dong繼ji電dian器qi或huo接jie觸chu器qi中zhong的de開kai關guan觸chu點dian，以yi操cao作zuo電dian磁ci閥fa，或huo旋xuan轉zhuan電dian機ji的de軸zhou。大da多duo數shu情qing況kuang下xia
，工gong程cheng師shi使shi用yong高gao端duan開kai關guan來lai控kong製zhi感gan性xing負fu載zai，挑tiao戰zhan在zai於yu，當dang開kai關guan打da開kai，電dian流liu不bu再zai流liu入ru負fu載zai時shi
，如ru何he給gei電dian感gan放fang電dian。不bu當dang放fang電dian導dao致zhi的de負fu麵mian影ying響xiang包bao括kuo：繼電器觸點可能拉弧
、很大的負電壓尖峰損壞敏感型IC，以及產生高頻噪聲或EMI，進而影響係統性能。

　　在(zai)分(fen)立(li)式(shi)方(fang)案(an)中(zhong)
，對(dui)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)進(jin)行(xing)放(fang)電(dian)的(de)最(zui)常(chang)見(jian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)就(jiu)是(shi)使(shi)用(yong)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)。在(zai)本(ben)電(dian)路(lu)中(zhong)
，當(dang)開(kai)關(guan)閉(bi)合(he)時(shi)，二(er)極(ji)管(guan)被(bei)反(fan)向(xiang)偏(pian)置(zhi)且(qie)不(bu)導(dao)電(dian)。當(dang)開(kai)關(guan)打(da)開(kai)時(shi)，通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)的(de)負(fu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)會(hui)使(shi)二(er)極(ji)管(guan)正(zheng)向(xiang)偏(pian)置(zhi)

，從(cong)而(er)通(tong)過(guo)引(yin)導(dao)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)的(de)方(fang)式(shi)使(shi)存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)衰(shuai)減(jian)
，直(zhi)至(zhi)達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)且(qie)電(dian)流(liu)為(wei)零(ling)。

　　對於許多應用，特別是工業行業中每個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。

　　現代數字輸出器件使用一種主動箝位電路在器件內實現這一功能。例如，ADI采用一項已獲專利的安全消磁(SafeDemagTM)功能，允許數字輸出器件在不受電感限製的情況下安全關閉負載。如需更多詳情
，請點此訪問網站查看應用筆記。

　　在選擇數字輸出器件時

，需要考慮多個重要因素。應仔細考慮數據手冊中的以下規格：

• 查看最大連續電流額定值，並確保在需要時可以並聯多個輸出
  ，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（超過溫度範圍）。參考數據手冊
  ，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格也很重要。

　　要從一些超出範圍的工作條件下恢複，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。在集成式數字輸出器件中查找部分或所有這些診斷。

　　可編程數字輸入/輸出器件

　　通過在IC上集成DI和DO，就能構建可配置產品。這是一個4通道產品示例，可以配置為輸入或輸出。

圖7.4通道實現方案的可配置DI/DO產品

　　它有一個DIO內核，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）或數字輸出。DO上的限流值可以設置為130mA至1.2A。內置消磁功能。要在1/3型或2型數字輸入之間切換

，則隻需設置一個引腳，無需使用外部電阻。

　　這些器件不僅易於配置

，而且堅固耐用
，可在工業環境中工作。這意味著高ESD，提供高達60V的電源電壓保護和線路接地浪湧保護。

　　由此可見
，這是一個可通過集成式方法來實現更多可能（可配置的DI/DO模塊）的示例。

　　結論

　　當設計高密度數字輸入或輸出模塊時

，一旦通道密度超過一定數量，分立式方案就變得毫無意義。從散熱、可靠性和尺寸方麵考慮，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據要點，包括可靠的工作特性、診斷
、支持多種輸入-輸出配置。