工業自動化和過程控制中的監控需求日益增多，這種發展趨勢要求采用高通道密度的輸入模塊。在這些應用中，24V直流數字輸入（DI）是整個工業I/O市場中最大的一塊，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。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，為未來數字輸入設計奠定了基礎。

本文首先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對比，隨后重點介紹了DIS的功能原理，并說明如何利用其特性實現真正的高通道密度輸入模塊設計。

數字輸入開關特性

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

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IEC*97-2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最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”狀態下的功耗高。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，這樣實際上電壓達到30V時才會出現最大輸入功耗。

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

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。

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大大減少了所需的隔離器數量，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直流額定電壓及最高34V輸入電壓。DIS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（圖4）。

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RIN0:7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。最后，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，這也是一種U.L認證要求。

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，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被改變，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（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。

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。表中列舉出了三個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。

散熱

限流要求大幅增加了輸入電阻。因此，輸入場效應晶體管的I2R損耗在過渡點后急劇上升。該功率被轉換成熱量，并且必須得到有效散熱，因此才使用了封裝底部有一塊散熱焊盤的散熱增強型封裝。另外，PCB設計必須留有一塊足夠大的銅區域，以便在與散熱焊盤接觸時確保有效散熱。

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*x9.4mm的28引腳Power-Pad封裝。與帶有16個電阻和8個二極管的傳統8通道R-D輸入模塊的板級空間相比，該器件的空間占位非常小，幾乎可以忽略不計。

更多通道數目的模塊中，空間節省甚至更加明顯，如將4個DIS器件和一個32通道輸入模塊級聯時（圖8）。

現在，相比64個電阻和32個二極管，4個串行器占用空間極小。此外，將32個并行輸入轉換成一個串行數據流只使用一個四通道隔離器就足夠了，從而替代了32個光學耦合器。

本文小結

數字輸入串行器為創新型、高集成度系統解決方案，為高通道密度數字輸入模塊量身定做?？蓪崿F高通道密度設計的三個主要特性是：1）內部限流特性，相比傳統的電阻二極管結構能節能60%到80%；2）采用散熱增強型封裝，其輸入設計散熱效率遠遠高于分立組件；3）可以級聯多個串行器，且只需要一個隔離器電路。

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