介紹

位于高壓、惡劣、嘈雜的工廠車間環境和復雜的低壓可編程邏輯控制器 （PLC） 之間的邊界是經常被忽視且不起眼的數字 I/O 模塊。由于應用用途的多樣性以及對電氣隔離、小尺寸和低功耗的共同要求，這些模塊的設計具有挑戰性。在此設計解決方案中，我們將研究 I/O 模塊的數字輸入 （DI） 組件的傳統“離散”設計的局限性，重點關注高功耗產生的熱量。然后，我們提出了一種替代方案，與傳統方法相比，它提供了幾個獨特的優勢。

用于 PLC 的 IEC 61131-2 標準規定了三種不同類型的數字輸入接收器：類型 1、2 和 3。標準規定，類型 3 的理想實現應在邏輯高狀態下盡可能接近 2mA 并具有電壓5V和11V之間的過渡閾值。

圖 2 說明了 3 類接收器的典型分立實現。使用光耦合器提供隔離。使用分壓器 R1 和 R2 設置接收的輸入信號閾值，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）。

數字輸入設計

數字 I/O 模塊通常由 16 或 32 個數字輸入或數字輸出 （DO） 通道組成。某些模塊允許根據需要將通道配置為 DI 或 DO。數字輸入與 PLC 和電機驅動器一起使用，以接收來自現場傳感器和開關的數字信號。由于場電壓（24V 或更高）遠高于 PLC 邏輯電壓（5V 或更低），出于安全原因，DI 的一個關鍵要求是在兩個域之間提供電氣隔離。

圖 2. 具有基本電流限制的數字輸入

這種電路配置效率低下，因為它只使用電阻器來限制電流消耗（這顯然取決于電壓）。對于 32V 輸入，此配置可消耗超過 10mA。

在緊湊型多通道模塊中，功耗（及其相關的散熱）是一個關鍵問題。因此，必須實施更復雜的電流限制形式。可以構建定制設計的限流電路，但需要 10 多個分立元件：TVS、電阻器、晶體管、電壓基準和比較器。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，而且這種設計消耗的電路板面積相對較大。這種方法的另一個缺點是，雖然電流限制比使用簡單的電阻分壓器更準確，但其作用的數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，這具有幾個優點。電流消耗降低到更接近 3 類輸入的理想規格的水平，并且電流限制變得更加準確，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工作，并有可能減少電路板面積。

圖 4 所示的寄生供電數字輸入是符合 IEC 61131-2 標準的完全集成數字輸入，可將 24V 數字工業輸入轉換為 2.6mA（最大）電流以驅動光隔離器。單個 DI 通道的功耗約為 65mW（24V 2.6mA），與限流分立實現的 210mW（24V × 8.75mA 典型值）相比，功耗降低了三分之一以上。在整個電壓輸入范圍內，電流消耗被限制在 2.1mA 至 2.6mA 之間，變化僅為 25%。這是對電流變化超過 100% 的離散解決方案的巨大改進。這也是對其他集成解決方案的改進，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 類和 3 類輸入。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。另一個吸引人的特點是工作電流從輸入信號中提取，無需專用的現場側電源，從而簡化了電路板布局。

圖 4. MAX22191 功能框圖

與分立元件實施相比，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 40%。根據所需的應用，該部件可以配置為提供或吸收電流。它具有 250ns 的快速響應時間，支持高速 DI 設備，1kV 浪涌保護（使用外部 TVS）即使在最具挑戰性的工業條件下也能確保穩健性。

圖 5 中的熱圖像顯示了與分立 DI 實施相比，使用該 IC 時的有效熱量減少。兩種解決方案都在同一個板上，在典型的實驗室環境中，對于單個 24V 輸入信號，記錄的溫差 》 15°C。在多通道模塊的有限空間內減少熱量的潛力是顯而易見的。

圖 5. 分立 DI 與 MAX22191 的熱圖像

結論

我們回顧了 PLC 數字輸入的典型分立元件實施的局限性，然后將其性能與幾乎完全集成的方法進行了比較。我們展示了一種寄生供電的數字輸入 IC，它提供了一個更小、更低功率的解決方案，同時產生的熱量也少得多。它適用于過程自動化、工業自動化、電機控制、單獨隔離輸入和具有電流吸收/輸出輸入的應用。

作者：Michael Jackson，Sean Long

審核編輯：郭婷