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。廣泛運用的傳感器正帶來一個重要改變，即要在舊款控制器內處理很多IO，包含數字IO或模擬IO。由此，構建可控尺度和熱量的高密度IO模塊成為要害。本文中ADI將重點介紹數字IO。

一般，PLC中的數字IO由分立式器材，例如電阻/電容或有獨立FET驅動組成。為了盡可能減小控制器的尺度，并且要求能夠處理2到4倍的通道數，這些都促進從分立式計劃向集成式計劃改變。

此外，分立式辦法存在許多缺陷，尤其是每個模塊處理的通道數到達8個或以上的情況。實際上，只需說到高熱量/功耗、數量巨大的分立式組件(從尺度和均勻毛病間隔時間(MTBF)視點)，以及需求牢靠的體系標準時，都足以闡明分立式辦法并不可行。

圖1顯示在構建高密度數字輸入(DI)和數字輸出(DO)模塊時面對的技術應戰。在DI和DO體系中，都需求考慮尺度和散熱問題。

關于數字輸入，還需注意它支撐不同的輸入類型，包含1/2/3類型的輸入，以及在某些情況下，支撐24V和48V輸入。在一切情況下，牢靠的作業特性都非常重要，乃至斷路檢測也至關重要。

關于數字輸出，體系運用不同的FET裝備來驅動負載。驅動電流的精度一般是一個重要的考量要素。在許多情況下，確診也有必要考量。

下面將討論集成處理計劃如何協助處理其間一些應戰。

規劃高通道密度數字輸入模塊

傳統的分立式規劃運用電阻分壓器網絡將24V/48V信號轉換為微控制器能夠運用的信號。前端也能夠運用分立式RC濾波器。假如需求隔離，有時會運用外部光耦合器。

這種類型的規劃適合必定數量的數字輸入，即每個板4到8個。超越這個數字，這種規劃很快會變得不實用。此種分立式計劃會帶來各種問題，包含：

高功耗和相關的板高溫點。

每個通道需求一個光耦合器。

部件過多會導致FIT率低，乃至需求更大的器材。

更重要的是，分立式規劃辦法意味著輸入電流隨輸入電壓呈線性添加。假設采用一個2.2K?輸入電阻和24V VIN。當輸入為1.例如，在24V時，輸入電流為11mA，相當于功耗為264mW。8通道模塊的功耗大于2W，32通道模塊的功耗大于8W。拜見下方的圖3：

單從散熱視點，這個分立式規劃無法支撐單個板上的多個通道。

集成式數字輸入規劃的最大優勢之一在于明顯下降功耗，然后減少散熱。大多數集成式數字輸入器材允許可裝備的輸入電流約束，以明顯下降功耗。

當限流值設置為2.6mA時，功耗明顯下降，每個通道約為60mW。8通道數字輸入模塊的額定值現在能夠設置為低于0.5瓦，如下方的圖4所示：

反對運用分立式邏輯規劃的另一個原因是：有時DI模塊有必要支撐不同類型的輸入。IEC發布的標準24V數字輸入標準分為1型、2型和3型。1型和3型一般組合運用，由于其電流和閾值限值都非常類似。2型具有6mA限流值，要更高一些。采用分立式辦法時，可能需求從頭規劃，由于大部分分立值都需求更新。

集成式數字輸入產品一般支撐一切這三種類型。從實質看，1型和3型一般遭到集成式數字輸入器材支撐。但是，為了滿意2型輸入最低6mA的電流要求，需求針對一個現場輸入并聯運用兩個通道。而且只調理限流值電阻。這需求進行電路板改變，但改變很小。

例如，當時ADI的DI器材限流值為3.5mA/通道。所以，如圖所示，當并聯運用兩個通道，假如體系有必要接入2型輸入，則需調理REFDI電阻和RIN電阻。關于一些較新的部件，也能夠運用引腳或經過軟件來挑選電流值。

要支撐48V數字輸入信號(不是常見要求)，需求運用類似流程，有必要添加一個外部電阻來調理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”，需滿意現場一端的電壓閾值標準(拜見器材數據手冊)。

最終，由于數字輸入模塊與傳感器銜接，因此規劃有必要契合牢靠的作業特性要求。當運用分立式計劃時，有必要細心規劃這些維護功用。挑選集成式數字輸入器材時，保證根據行業標準確認以下各項：

寬輸入電壓規模(例如，高達40V)。

能夠運用現場電源(7V至65V)。

能夠承受高ESD(?15kV ESD氣隙)和浪涌(一般為1KV)。

供給過電壓和過溫確診也非常有用，以便MCU采取合適的操作。

規劃高通道密度數字輸出模塊

典型的分立式數字輸出規劃具有一個帶驅動電路的FET，由微控制器進行驅動。能夠運用不同的辦法來裝備FET，以驅動微控制器。

高端負載開關的界說是：它由外部使能信號控制，并銜接或斷開電源與給定負載的銜接。與低端負載開關相比，高端開關為負載供給電流，而低端開關銜接或斷開負載的接地銜接，從負載獲取電流。盡管它們都運用單個FET，但低端開關的問題在于：負載與接地之間可能短路。高端開關維護負載，避免接地短路。但是低端開關的完成本錢更低。有時，輸出驅動器也裝備為推挽開關，需求兩個MOSFET。拜見下方的圖6：

集成式DO器材能夠將多個DO通道集成到單個器材中。由于高端、低端和推挽開關運用的FET裝備不同，因此可運用不同的器材來完成每種類型的輸出驅動器。

理性負載的內置消磁

集成式數字輸出器材的要害優勢之一是器材自身內置理性負載消磁功用。

理性負載是任何包含線圈的器材，在通電后，一般執行一些機械作業，例如電磁閥、電機和執行器。電流引起的磁場能夠移動繼電器或接觸器中的開關觸點，以操作電磁閥，或旋轉電機的軸。大多數情況下，工程師運用高端開關來控制理性負載，應戰在于，當開關打開，電流不再流入負載時，如何給電感放電。不妥放電導致的負面影響包含：繼電器觸點可能拉弧、很大的負電壓尖峰損壞靈敏型IC，以及產生高頻噪聲或EMI，進而影響體系性能。

在分立式計劃中，對理性負載進行放電的最常見處理計劃就是運用續流二極管。在本電路中，當開封閉合時，二極管被反向偏置且不導電。當開關打開時，經過電感的負電源電壓會使二極管正向偏置，然后經過引導電流經過二極管的方法使存儲能量衰減，直至到達安穩狀況且電流為零。

關于許多應用，特別是工業行業中每個IO卡具有多個輸出通道的應用，該二極管一般尺度很大，會導致本錢和規劃尺度大幅添加。

現代數字輸出器材運用一種主動箝位電路在器材內完成這一功用。例如，ADI采用一項已獲專利的安全消磁(SafeDemagTM)功用，允許數字輸出器材在不受電感約束的情況下安全封閉負載。如需更多概況，請點此訪問網站檢查應用筆記。

在挑選數字輸出器材時，需求考慮多個重要要素。應細心考慮數據手冊中的以下標準：

檢查最大連續電流額定值，并保證在需求時能夠并聯多個輸出，以取得更高電流的驅動器。

保證輸出器材能驅動多個高電流通道(超越溫度規模)。參考數據手冊，保證導通電阻、電源電流和熱電阻值盡可能低。

輸出電流驅動精度標準也很重要。

要從一些超出規模的作業條件下康復，確診信息就非常重要。首先，希望獲取每個輸出通道的確診信息。其間包含溫度、過電流、開路和短路。從全體(芯片)來看，重要確診包含熱關斷、VDD欠壓和SPI確診。在集成式數字輸出器材中查找部分或一切這些確診。

可編程數字輸入/輸出器材

經過在IC上集成DI和DO，就能構建可裝備產品。這是一個4通道產品示例，能夠裝備為輸入或輸出。

它有一個DIO內核，這意味著能夠在高端或推挽形式下將單個通道裝備為DI(1/3型或2型)或數字輸出。DO上的限流值能夠設置為130mA至1.2A。內置消磁功用。要在1/3型或2型數字輸入之間切換，則只需設置一個引腳，無需運用外部電阻。

這些器材不只易于裝備，而且堅固耐用，可在工業環境中作業。這意味著高ESD，供給高達60V的電源電壓維護和線路接地浪涌維護。

由此可見，這是一個可經過集成式辦法來完成更多可能(可裝備的DI/DO模塊)的示例。

結論

當規劃高密度數字輸入或輸出模塊時，一旦通道密度超越必定數量，分立式計劃就變得毫無意義。從散熱、牢靠性和尺度方面考慮，有必要細心考慮集成式器材選項。

而在挑選集成式DI或DO器材時，則有必要注意一些重要的數據要點，包含牢靠的作業特性、確診、支撐多種輸入-輸出裝備。