作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI)

工业自动化和过程控制中的监控需求日益增多，这种发展趋势要求具有高通道密度的输入模块。在这些应用中，24V DC 数字输入 (DI) 是整个工业 I/O 市场中最大的一块，它们捕获来自众多机械接触和固态开关器件的双状态信号，并将其转换成单比特二进制数字。

现代数字输入模块设计具有高通道数、小外形尺寸、低功耗和高数据速率要求。由于功耗高和组件数量多的原因，使用分立电阻二极管网络的传统输入设计已无法满足这些要求。相反，如数字输入串行器 (DIS) 等新型创新电路设计的性能则远远超出上述要求，从而为未来数字输入设计奠定了基础。

本文简单概述了传统数字输入设计，并将其性能和集成于数字输入串行器的创新功能进行了对比。随后，本文介绍了 DIS 的功能原理，并说明其特性如何利用真正的高通道密度来实现输入模块设计。

数字输入开关特性

图 1 符合 IEC61131-2 标准的数字输入特性

传统输入通道设计

1 类特性检测来自诸如继电器开关、按钮和开关等机械接触开关器件的信号。1 类特性可能并不适合于同传感器和邻近开关等固态器件一起使用。

2 类特性检测来自诸如老式双线邻近开关等、根据 IEC60497-2 标准而设计的高功耗、固态开关器件信号。这种特性还可以被用于 1 类和 3 类特性应用。

3 类特性输入不但可以和最先进的双线邻近开关等低功耗、固态开关器件一起使用，而且还可以用于一些 1 类特性应用中。上述输入拥有比 2 类特性更低的功耗；因此，允许每个模块具有更高的输入通道密度。

传统输入通道设计

虽然存在一些使用不同 R-D 网络的各种输入设计，但是它们都具有下列相同要求：符合 IEC61131-2 标准 1 类特性、2 类特性或 3 类特性的输入开关特性；场侧输入状态指示（IEC61131-2 标准规定）；噪声抑制防回跳 (debounce) 电路（尽管并未标准化，但两个常见为 1ms 和 3ms）；来自低压 PLC 或I/O 电子器件的 24V 场输入电隔离。

图 2 显示了两种输入通道设计：输入特性由 RIN 和 RP 电阻值决定；通过位于场侧的 LED 指示开关状态；通过 R-C 时间常量来实现噪声抑制；并通过光学耦合器来提供电隔离。

例如，在一个 32 通道输入模块中，分立元件总数太多，以至于无法获得高通道密度。

另一个缺点是“开启”状态下的高功耗。按照设计，输入的开启/关闭阈值一般出现在过渡区中间的某个位置（灰色阴影“开启”和“关闭”区域之间的白色区域），输入电流不断上升，直到场输入电压达到其额定值 24V。另外，IEC 标准允许额定 24V 场电源在 15% 到 +20% 范围内变化，这样实际上 30V 时才会出现最大输入功耗。

就图 1 所示的 1 类特性开关而言，24V 电压时 11mA 的输入电流和 30V 电压时 13.5mA 的输入电流，将分别产生 260mW 和 400mW 的功耗。该功耗又被转换成热。由于分立组件的功耗效率较低，如果输入通道相互之间过于靠近，则会在印刷电路板上形成“热点”。这是降低高通道密度设计性能的另一个因素。

图 2 传统输入设计使用了许多分立组件，并且消耗了大量的功率

降低功耗、减少隔离器数量的第一步为图 3 所示电路。这里，Q1 附近一个恒定电流源提供了一个由 RLIM 值决定的规范定义的电流极限值。每一级均包括一个通过 RF 和 CF 的防回跳滤波器，在使用低容差组件时其可得到准确的防回跳时间。

图 3 具有限流器和移位寄存器的 8 通道输入模块图例

这种电路的另一个好处是从 24V 场输入降至 5V 逻辑电平的电平转换。允许防回跳滤波器输出状态被锁存到移位寄存器的并行输入中。将并行场输入信息转换为串行数据流极大地减少了所需隔离器数量，并使隔离器数目不受输入模块通道数目影响。

数字输入串行器

数字输入串行器 (DIS) 专为商业和工业输入应用量身设计，使用 12V 到 24V DC 额定电压及 最高34V输入电压。DIS 即可提供连接至双线或三线 DC 接近开关、继电器开关、按钮开关、限位开关、浮控开关、选择器开关和光电传感器的 8 个并行输入（请参见图 4）。

图 4 隔离 8 通道数字输入模块的基本系统电平图

开关的“开启-关闭”状态信息由信号调节级完成电平转换和滤波，该调节级的 8 个并行输出均被锁存到串行器中。在外部控制器的管理下，串行器内容以串行的形式被输出。数字隔离器可以提供一个独立的接口，用于场侧 DIS 和控制端基于 PLC 或 PC 系统的系统控制器之间的控制和数据线路。通过将主要器件的串行输出与后面器件的串行输入连接，可以实现多个 DIS 器件的级联，从而获得具有高通道密度的数字输入模块设计。需要注意的是，输入电阻 RIN 0:7 是非 IEC 标准设计的可选组件。零输入电阻允许具有分别为 5V 和 4.5V的“开启”和“关闭”阈值电压的低压开关。

但是，由于某些原因，工业输入设计需要输入电阻。在给定电流极限的情况下，这些电阻将场输入阈值电压电平正好转换至 IEC61131-2 标准 1 类特性、2 类特性和 3 类特性的中间区域。根据 IEC61000-4-4 和 -4-5 标准，在电磁兼容性测试(EMC) 过程中，输入电阻还具有部分猝发和浪涌保护作用。最后，输入电阻还起到限流电阻的作用，从而防止器件短路时出现火灾，这还是一种 U.L. 认证要求。

现在，图 5 显示了图 4 所示数字输入串行器的内部结构。

集成的线性稳压器将 24V 电源电压转换成稳压后的 5V 输出，以同时向内部器件和外部数字隔离器供电。

如果器件内部温度超过 150℃ 时，片上温度传感器便显示故障状态。温度传感器输出可以通过外部 LED 显示，或者通过隔离通道传输至系统控制器的中断输入。

电流检测

每一条输入通道均包括一个电流检测和电压检测电路，它们将输入信号与其各自的参考阈值进行对比。另外，电流检测功能包括一个具有可调电流极限值范围（0.2mA 到 5mA）的限流器电路。所有通道的电流极限均由外部高精确电阻 RLIM 的电阻值决定。

电流检测和电压检测级的输出均由AND 功能进行栅极控制，并被用于保证输入信号足够稳定的防回跳滤波器。也就是说，其持续时间必须超过滤波器防回跳时间，才能被看作是有效输入。对于一个有效输入信号而言，防回跳滤波器输出会出现在串行器并行输入上，准备随同下一个负载脉冲一起被锁存。与此同时，防回跳滤波器输出对限流器（红色虚线）内的开关进行控制，并将其朝向返回输出 REx 方向开关。这样，流经外部 LED（红色粗线）的大部分输入电流方向就被改变了，从而显示一个有效的“开启”状态。

防回跳选择逻辑决定了所有通道的防回跳时间。三种典型的取值为：3ms、1ms 和 0ms。取值为 0ms 时，防回跳滤波器在内部被绕过，可以进行外部设置修改防回跳时间。

片上串行器将防回跳滤波器输出内的并行信息转换为串行数据流，为在隔离数据通道中进行传输做好了准备。串行器控制由控制器通过标准控制通道（例如：负载、时钟和时钟启动等）来维持。高达 100MHz 时钟频率使得在不到 500ns 的时间内（从四个级联 DIS 器件）扫描 32 个输入成为可能。这极大地改善了数据吞吐能力、数据延迟和系统层节能状况。

图 5 数字输入串行器的简化结构图

节能

传统 R-D 结构的输入电流不断随输入电压成比例上升，而 DIS 器件的限流器可以确保“开启”状态下输入电流恒定。利用“关闭-开启”过渡点后输入电流变为独立电流，可极大降低功耗。表 1 列举出了三个 IEC 输入特性下限流输入相对于R-D 输入的节能情况，其源自于图 6 中的输入电流图。

表 15 DIS 与传统输入设计的节能对比情况

图 6 DIS（红色）与传统输入设计（绿色）的功耗对比情况

散热

限流要求大幅增加输入电阻。因此，输入场效应晶体管的12R-损耗在过渡点后急剧上升。该功率被转换成热量，并且必须得到有效的散热。正因如此，才使用了散热增强型封装，其在封装底部有一块散热焊盘。另外，PCB 设计必须留有一块足够大的铜区域，在与散热焊盘接触时可以确保有效散热。

图 7 散热增强型封装散热更高效

有效的散热使 8 个输入通道能够被集成到一个芯片中，从而为高通道密度设计奠定了基础。

如欲熟悉散热增强型封装应用以及相关 PCB 布局，请参阅本文参考文献部分的应用手册 SLMA002B。

节省空间

上面的介绍听起来极为复杂，并且会占用较多空间，其实不然。例如，图 4 所示数字输入串行器采用了 6.4mm x 9.4mm的 28 引脚 Power-Pad 封装。与带有 16 个电阻和 8 个二极管的传统 8 通道 R-D 输入模块的板级空间相比，这一空间占用非常小，几乎可以忽略不计。

在 8 通道端口上实现的空间节省在更多通道数目的模块中甚至更加明显，如将四个 DIS 器件和一个 32 通道输入模块级联时，如图 8 所示。

图 8 将 4 个 DIS 和一个 32 通道数字输入模块级联

现在，相比 64 个电阻和 32 个二极管，四个串行器占用空间极小。此外，将 32 个并行输入转换成一个串行数据流只使用一个四通道隔离器就足够了，从而替代了 32 个光学耦合器。

结论

数字输入串行器为创新型、高集成度系统解决方案，为高通道密度数字输入模块量身定做。可实现高通道密度的三个主要特性是：

1) 内部限流特性，相比传统的电阻二极管结构节能 60% 到 80%；

2) 采用散热增强型封装，其输入设计散热效率远远高于分立组件；

3) 可以级联多个串行器，且只需要一个隔离器电路。

为迎合新型数字输入设计的发展趋势，TI 针对商业和工业应用推出了SN65HVS88x 系列数字输入串行器。

结论

如欲了解更多详情，敬请访问 www.TI.com/interface，并在关键字搜索栏中输入下面括号中的文献编号。SN65HVS882 产品说明书 (SLAS601)、SN65HVS882 EVM 手册 (SLAU249)、SN65HVS880 产品说明书 (SLAS592A)、SN65HVS880 EVM手册 (SLAU245)、PowerPAD 散热增强型封装 (SLMA002B)。

作者简介

Thomas Kugelstadt 现任 TI 高级应用工程师，主要负责定义新型高性能模拟产品以及用于检测和调节工业系统中低电平模拟信号系统解决方案的开发工作。在 TI 20 年的职业生涯中，他被派往欧洲、亚洲以及美国担任不同的国际要职。Thomas 自法兰克福应用科技大学 (Frankfurt University of Applied Science) 毕业后，就成为一名见习工程师 (Graduate Engineer)。/p>