I/O模块的数字输入组件的设计

介绍

位于高压、恶劣、嘈杂的工厂车间环境和复杂的低压可编程逻辑控制器 （PLC） 之间的边界是经常被忽视且不起眼的数字 I/O 模块。由于应用用途的多样性以及对电气隔离、小尺寸和低功耗的共同要求，这些模块的设计具有挑战性。在本设计解决方案中，我们将研究I/O模块数字输入（DI）组件的传统“分立”设计的局限性，这些设计集中在高功耗产生的热量上。然后，我们提出了一种替代方案，与传统方法相比，它具有几个独特的优势。

PLC 的 IEC 61131-2 标准规定了三种不同类型的数字输入接收器：类型 1、2 和 3。该标准规定，Type 3的理想实现方案在逻辑高电平状态下应尽可能接近2mA，电压转换门限在5V至11V之间。

3类接收器的典型分立式实现如图2所示。隔离利用光耦合器提供。接收到的输入信号阈值使用分压器R1和R2设置，然后使用具有迟滞的电压比较器解释为逻辑高电平或逻辑低电平（以提供抗扰度）。

数字输入设计

数字 I/O 模块通常由 16 或 32 个数字输入或数字输出 （DO） 通道组成。某些模块允许根据需要将通道配置为 DI 或 DO。数字输入与PLC和电机驱动器一起使用，以接收来自现场传感器和开关的数字信号。由于现场电压（24V或更高）远高于PLC逻辑电压（5V或更低），因此DI的一个关键要求是出于安全原因在两个域之间提供电气隔离。

图2.带基本限流的数字输入

这种电路配置效率低下，因为它仅使用电阻来限制电流消耗（这显然取决于电压）。对于 32V 输入，此配置可消耗超过 10mA 的电流。

在紧凑的多通道模块中，功耗（及其相关的散热）是一个关键问题。因此，必须实施更复杂的电流限制形式。可以构建定制设计的限流电路，但需要10多个分立元件：TVS、电阻、晶体管、基准电压源和比较器。该解决方案的电流消耗通常为5mA，是3类输入的理想电流2mA的两倍，并且这种设计消耗的电路板面积相对较大。这种方法的另一个缺点是，虽然限流比使用简单的电阻分压器更准确，但其工作的数字输入电压范围可能非常有限。

图3.具有离散电流限制功能的DI

减小功耗和尺寸

离散组件方法的一个更好的替代方案是使用集成解决方案。与分立式解决方案相比，这有几个优点。电流消耗降低到更接近Type 3输入的理想规格的水平，电流限制变得更加精确，这两者都有助于减少散热。与分立解决方案相比，集成器件还可以在更宽的输入电压范围内工作，并有可能减少电路板面积。

图4所示的寄生供电数字输入是符合IEC 61131-2标准的全集成数字输入，可将24V数字工业输入转换为2.6mA （最大值）电流，以驱动光隔离器。单个DI通道的功耗约为65mW （24V 2.6mA），与限流分立式方案的210mW （24V ×8.75mA典型值）相比，功耗降低了三倍以上。在整个电压输入范围内，电流消耗限制在2.1mA至2.6mA之间，变化仅为25%。与分立式解决方案相比，这是一个巨大的改进，在分立解决方案中，电流变化可能超过100%。与其他集成解决方案相比，这也是一个改进，这些解决方案的电流范围为每通道2.3mA至3.4mA，变化为35%。电压阈值和电流水平符合 1 类和 3 类输入。该器件兼容 48V 输入，并增加了外部电阻器。它提供 60V 的最大工作电压，而其他典型集成解决方案仅允许 45V。另一个吸引人的特点是工作电流来自输入信号，无需专用的现场侧电源，从而简化了电路板布局。

图4.MAX22191功能框图

小型 6 引脚 SOT23 封装尺寸为 2.8mm × 2.9mm，与分立元件方案相比，所需电路板面积减少了多达 40%。根据所需的应用，该器件可配置为拉电流或灌电流。它具有 250ns 的快速响应时间，支持高速 DI 器件，1kV 浪涌保护（使用外部 TVS）即使在最具挑战性的工业条件下也能确保鲁棒性。

图5中的热图像显示了与分立式DI方案相比，使用该IC时的有效散热效果。两种解决方案都在同一电路板上，在典型的实验室环境中，单个24V输入信号记录的温差》15°C。在多通道模块的密闭空间中减少热量的潜力是显而易见的。

图5.分立DI与MAX22191的热图像

结论

我们 回顾了 PLC 数字输入的典型分立元件实现的局限性，然后将其性能与几乎完全集成的方法进行了比较。我们 介绍 了 一种 寄生 供电 的 数字 输入 IC， 该 IC 提供 了 更小、 更 低功耗 的 解决 方案， 且 发热 少 得多。它适用于过程自动化、工业自动化、电机控制、单独隔离的输入和具有电流吸收/拉出输入的应用。

审核编辑：郭婷