作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI)

工業自動化和過程控制中的監控需求日益增多，這種發展趨勢要求具有高通道密度的輸入模塊。在這些應用中，24V DC 數字輸入 (DI) 是整個工業 I/O 市場中較大的一塊，它們捕獲來自眾多機械接觸和固態開關器件的雙狀態信號，并將其轉換成單比特二進制數字。

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

本文簡單概述了傳統數字輸入設計，并將其性能和集成于數字輸入串行器的創新功能進行了對比。隨后，本文介紹了 DIS 的功能原理，并說明其特性如何利用真正的高通道密度來實現輸入模塊設計。

數字輸入開關特性

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

圖 1 符合 IEC61131-2 標準的數字輸入特性

傳統輸入通道設計

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 IEC60497-2 標準而設計的高功耗、固態開關器件信號。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較先進的雙線鄰近開關等低功耗、固態開關器件一起使用，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。

傳統輸入通道設計

雖然存在一些使用不同 R-D 網絡的各種輸入設計，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；場側輸入狀態指示（IEC61131-2 標準規定）；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；通過 R-C 時間常量來實現噪聲抑制；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，分立元件總數太多，以至于無法獲得高通道密度。

另一個缺點是“開啟”狀態下的高功耗。按照設計，輸入的開啟/關閉閾值一般出現在過渡區中間的某個位置（灰色陰影“開啟”和“關閉”區域之間的白色區域），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 30V 時才會出現較大輸入功耗。

就圖 1 所示的 1 類特性開關而言，24V 電壓時 11mA 的輸入電流和 30V 電壓時 13.5mA 的輸入電流，將分別產生 260mW 和 400mW 的功耗。該功耗又被轉換成熱。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，則會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。

圖 2 傳統輸入設計使用了許多分立組件，并且消耗了大量的功率

降低功耗、減少隔離器數量的第一步為圖 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。

圖 3 具有限流器和移位寄存器的 8 通道輸入模塊圖例

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據流極大地減少了所需隔離器數量，并使隔離器數目不受輸入模塊通道數目影響。

數字輸入串行器

數字輸入串行器 (DIS) 專為商業和工業輸入應用量身設計，使用 12V 到 24V DC 額定電壓及 較高34V輸入電壓。DIS 即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（請參見圖 4）。

圖 4 隔離 8 通道數字輸入模塊的基本系統電平圖

開關的“開啟-關閉”狀態信息由信號調節級完成電平轉換和濾波，該調節級的 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 系統的系統控制器之間的控制和數據線路。通過將主要器件的串行輸出與后面器件的串行輸入連接，可以實現多個 DIS 器件的級聯，從而獲得具有高通道密度的數字輸入模塊設計。需要注意的是，輸入電阻 RIN 0:7 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正好轉換至 IEC61131-2 標準 1 類特性、2 類特性和 3 類特性的中間區域。根據 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和浪涌保護作用。較后，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火災，這還是一種 U.L. 認證要求。

現在，圖 5 顯示了圖 4 所示數字輸入串行器的內部結構。

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

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。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定的防回跳濾波器。也就是說，其持續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而言，防回跳濾波器輸出會出現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，流經外部 LED（紅色粗線）的大部分輸入電流方向就被改變了，從而顯示一個有效的“開啟”狀態。

防回跳選擇邏輯決定了所有通道的防回跳時間。三種典型的取值為：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據流，為在隔離數據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（例如：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 DIS 器件）掃描 32 個輸入成為可能。這極大地改善了數據吞吐能力、數據延遲和系統層節能狀況。

圖 5 數字輸入串行器的簡化結構圖

節能

傳統 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”狀態下輸入電流恒定。利用“關閉-開啟”過渡點后輸入電流變為獨立電流，可極大降低功耗。表 1 列舉出了三個 IEC 輸入特性下限流輸入相對于R-D 輸入的節能情況，其源自于圖 6 中的輸入電流圖。

  輸入電壓 1 類特性 2 類特性 3 類特性 節能 24V
30V 76%
80% 75%
80% 61%
65%

表 15 DIS 與傳統輸入設計的節能對比情況

圖 6 DIS（紅色）與傳統輸入設計（綠色）的功耗對比情況

散熱

限流要求大幅增加輸入電阻。因此，輸入場效應晶體管的12R-損耗在過渡點后急劇上升。該功率被轉換成熱量，并且必須得到有效的散熱。正因如此，才使用了散熱增強型封裝，其在封裝底部有一塊散熱焊盤。另外，PCB 設計必須留有一塊足夠大的銅區域，在與散熱焊盤接觸時可以確保有效散熱。

圖 7 散熱增強型封裝散熱更高效

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 所示數字輸入串行器采用了 6.4mm x 9.4mm的 28 引腳 Power-Pad 封裝。與帶有 16 個電阻和 8 個二極管