Bygge digitale I/O-moduler med høy-kanal-densitet for neste-generasjons industrielle automatiseringskontrollere
[Innledning] Ettersom bølgen av Industry 4.0 skyter over landskapet, blir smarte sensorer stadig mer utbredt i fabrikkmiljøer. Den utbredte bruken av sensorer driver et betydelig skifte: behovet for å behandle store volumer av I/O-både digitalt og analogt-i eldre kontrollere. Utvikling av I/O-moduler med høy-tetthet som opprettholder håndterbar størrelse og termiske profiler har derfor blitt kritisk. I denne artikkelen fokuserer ADI på digital I/O.
Vanligvis består digital I/O i PLS-er av diskrete komponenter som motstander/kondensatorer eller separate FET-drivere. For å minimere kontrollerstørrelsen mens den håndterer 2 til 4 ganger flere kanaler, skifter industrien fra diskrete til integrerte løsninger.
Videre har den diskrete tilnærmingen mange ulemper, spesielt når hver modul håndterer åtte eller flere kanaler. Faktisk er bare omtalen av høy termisk/effekttap, det store volumet av diskrete komponenter (med tanke på både størrelse og gjennomsnittlig tid mellom feil (MTBF)), og behovet for pålitelige systemspesifikasjoner tilstrekkelig til å demonstrere upraktiskheten til den diskrete tilnærmingen.
Figur 1 illustrerer de tekniske utfordringene man møter når man bygger moduler med høy-digital inngang (DI) og digital utgang (DO). Både DI- og DO-systemer krever nøye vurdering av størrelse og termisk styring.
Figur 1. Hensyn til digitale inngangs- og utgangsmoduler
For digitale innganger, merk at den støtter ulike inngangstyper, inkludert klasse 1/2/3-innganger, og i noen tilfeller 24V og 48V-innganger. I alle scenarier er pålitelige driftsegenskaper avgjørende, og til og med åpen-deteksjon er kritisk.
For digitale utganger bruker systemet forskjellige FET-konfigurasjoner for å drive belastninger. Presisjonen til drivstrømmen er vanligvis en nøkkelfaktor. Diagnostikk må også tas med i mange applikasjoner.
Nedenfor ser vi på hvordan integrerte løsninger kan bidra til å møte noen av disse utfordringene.
Utforming av digitale inngangsmoduler med høy-kanal-tetthet
Tradisjonelle diskrete design bruker motstandsdelernettverk for å konvertere 24V/48V-signaler til signaler som kan brukes av mikrokontrollere. Diskrete RC-filtre kan også brukes i frontenden. Eksterne optokoblere brukes noen ganger når isolasjon er nødvendig.
Figur 2 illustrerer en typisk diskret tilnærming for å konstruere digitale inngangskretser.
Figur 2. Tradisjonell digital inngangsdesign ved bruk av diskret logikkDenne typen design er egnet for et visst antall digitale innganger, nærmere bestemt 4 til 8 per kort. Utover dette tallet blir designet raskt upraktisk. Denne diskrete tilnærmingen introduserer ulike problemer, inkludert:
● Høyt strømforbruk og tilhørende hot spots på brettet.
● Hver kanal krever en separat optokobler.
● For mange komponenter fører til lave FIT-hastigheter og kan nødvendiggjøre større enheter.
Mer kritisk innebærer den diskrete designtilnærmingen at inngangsstrømmen øker lineært med inngangsspenningen. Tenk på en 2,2KΩ inngangsmotstand og 24V VIN. Når inngangen er 1 (f.eks. ved 24V), er inngangsstrømmen 11mA, som tilsvarer et effekttap på 264mW. En 8-kanals modul bruker over 2W, mens en 32-kanals modul overskrider 8W. Se figur 3 nedenfor:
Figur 3. Estimert strømforbruk for den digitale inngangsmodulen konstruert ved bruk av diskret logikk
Fra et termisk perspektiv alene kan ikke denne diskrete designen støtte flere kanaler på et enkelt bord.
En av hovedfordelene med integrerte digitale inngangsdesign er betydelig redusert strømforbruk, og dermed minimalisere termiske krav. De fleste integrerte digitale inngangsenheter tillater konfigurerbar inngangsstrømbegrensning for å vesentlig lavere strømforbruk.
Når strømgrensen er satt til 2,6mA, synker strømforbruket betydelig til omtrent 60mW per kanal. Det nominelle strømforbruket for en 8-kanals digital inngangsmodul kan nå settes til under 0,5 watt, som vist i figur 4 nedenfor:
Figur 4. Anslått strømbesparelse for digitale inngangsmoduler ved bruk av integrerte DI-brikker
En annen grunn mot å bruke diskrete logiske design er at DI-moduler noen ganger må støtte forskjellige inngangstyper. Den publiserte IEC-standarden for 24V digitale innganger spesifiserer type 1, 2 og 3. Type 1 og 3 brukes vanligvis sammen fordi deres strøm- og terskelgrenser er svært like. Type 2 har en høyere strømgrense på 6mA. Med en diskret tilnærming kan redesign være nødvendig siden de fleste diskrete komponenter vil trenge oppdatering.
Integrerte digitale inngangsprodukter støtter generelt alle tre typene. I hovedsak støttes Type 1 og Type 3 vanligvis av integrerte digitale inngangsenheter. For å oppfylle minimumskravet på 6mA strøm for Type 2-innganger, må imidlertid to kanaler kobles parallelt for en enkelt feltinngang. Bare den gjeldende-begrensningsmotstanden trenger justering. Dette krever en mindre PCB modifikasjon.
For eksempel har nåværende ADI DI-enheter en strømgrense på 3,5 mA/kanal. Derfor, som vist i figuren, når to kanaler brukes parallelt og systemet må romme Type 2-innganger, må REFDI- og RIN-motstandene justeres. For noen nyere komponenter kan gjeldende verdi også velges via pinner eller programvare.
Figur 5. Bruk av to kanaler parallelt for å støtte to -type digitale innganger
For å støtte 48V digitale inngangssignaler (ikke et vanlig krav), kreves en lignende prosess, noe som krever tillegg av en ekstern motstand for å justere spenningsterskelen ved feltenden. Still inn verdien på denne eksterne motstanden slik at pinnens "strømgrense * R + terskel" oppfyller spenningsterskelspesifikasjonen ved feltenden (se enhetens datablad).
Til slutt, siden den digitale inngangsmodulen kobles til sensorer, må designet oppfylle pålitelige driftsegenskaper. Når du bruker en diskret løsning, må disse beskyttelsesfunksjonene utformes nøye. Når du velger en integrert digital inngangsenhet, sørg for at følgende er bestemt i henhold til industristandarder:
● Bredt inngangsspenningsområde (f.eks. opptil 40V).
● Mulighet til å bruke feltstrøm (7V til 65V).
● Høy ESD-toleranse (±15kV ESD-luftgap) og overspenningsevne (vanligvis 1kV).
Å tilby overspennings- og overtemperaturdiagnostikk er også fordelaktig for å gjøre MCU i stand til å iverksette passende tiltak.
Utforming av digitale utgangsmoduler med høy-kanal-densitet
En typisk diskret digital utgangsdesign har en FET med en driverkrets, drevet av en mikrokontroller. Ulike metoder kan brukes for å konfigurere FET til å drive mikrokontrolleren.
En øvre -lastbryter er definert som en som styres av et eksternt aktiveringssignal som kobler til eller fra strømforsyningen fra en gitt last. Sammenlignet med en nedre-sidelastbryter, leverer en øvre-sidebryter strøm til lasten, mens en nedre-sidebryter kobler til eller fra lastens jordforbindelse og trekker strøm fra lasten. Selv om begge bruker en enkelt FET, er problemet med nedre-sidebrytere at lasten kan kortslutte til jord. Høye-sidebrytere beskytter lasten ved å forhindre jordkortslutning. Lave{10}}sidebrytere er imidlertid rimeligere å implementere. Noen ganger er utgangsdriveren også konfigurert som en push{12}}pull-bryter, som krever to MOSFET-er. Se figur 6 nedenfor:
Figur 6. Ulike konfigurasjoner brukt for den digitale utgangsdriveren
Integrerte DO-enheter kan kombinere flere DO-kanaler til en enkelt komponent. Siden høy-side, lav-side og push-pull-brytere bruker forskjellige FET-konfigurasjoner, kan forskjellige enheter brukes til å implementere hver type utgangsdriver.
Innebygd-demagnetisering for induktiv belastning
En viktig fordel med integrerte digitale utgangsenheter er deres innebygde-demagnetiseringsevne for induktive belastninger.
En induktiv belastning er enhver enhet som inneholder en spole som, når den aktiveres, vanligvis utfører mekanisk arbeid-som magnetventiler, motorer og aktuatorer. Magnetfeltet som genereres av strøm kan flytte bryterkontakter i releer eller kontaktorer for å betjene magnetventiler, eller rotere akselen til en motor. I de fleste tilfeller bruker ingeniører høye-sidebrytere for å kontrollere induktive belastninger. Utfordringen ligger i å lade ut induktoren når bryteren slås av og strømmen slutter å flyte inn i lasten. Negative effekter fra feil utladning inkluderer: relékontakter kan bue, store negative spenningstopper kan skade sensitive IC-er, og høy-støy eller EMI genereres, som til slutt påvirker systemytelsen.
I diskrete løsninger er den vanligste tilnærmingen for utlading av induktive belastninger å bruke en frihjulsdiode. I denne kretsen, når bryteren er lukket, er dioden revers{1}}forspent og leder ikke. Når bryteren åpnes, forspenner den negative forsyningsspenningen over induktoren- dioden, og sprer lagret energi ved å lede strøm gjennom den til en stabil tilstand med null strøm er nådd.
For mange applikasjoner, spesielt industrielle der hvert I/O-kort har flere utgangskanaler, er denne dioden ofte stor, noe som øker kostnadene og konstruksjonens fotavtrykk betydelig.
Moderne digitale utgangsenheter implementerer denne funksjonaliteten internt ved hjelp av en aktiv klemkrets. For eksempel bruker ADI en patentert SafeDemag™-funksjon som gjør det mulig for digitale utgangsenheter å slå av belastninger på en sikker måte uten å bli begrenset av induktorer. For mer informasjon, klikk her for å få tilgang til søknadsnotatet på nettstedet.
Når du velger digitale utgangsenheter, må flere kritiske faktorer vurderes. Se nøye gjennom følgende spesifikasjoner i dataarket:
● Sjekk den maksimale kontinuerlige strømstyrken og sørg for at flere utganger kan parallellkobles når det er nødvendig for å oppnå høyere strømdrivere.
● Kontroller at utgangsenheten kan drive flere-høystrømskanaler (som overskrider temperaturområdet). Se dataarket for å sikre at-motstand, forsyningsstrøm og termisk motstandsverdier er så lave som mulig.
● Spesifikasjoner for utgangsstrømdriftsnøyaktighet er også kritiske.
Diagnostikkinformasjon er avgjørende for å komme seg etter visse driftsforhold-utenfor-rekkevidde. For det første er diagnostisk informasjon for hver utgangskanal ønskelig. Dette inkluderer temperatur, overstrøm, åpen-krets- og kortslutningsdeteksjon. Fra et brikke-perspektiv inkluderer viktig diagnostikk termisk avstengning, VDD-underspenning og SPI-diagnostikk. Se etter noen eller alle disse diagnostikkene i integrerte digitale utgangsenheter.
Programmerbare digitale inngangs-/utgangsenheter
Integrering av DI og DO på IC gjør det mulig å lage konfigurerbare produkter. Dette er et eksempel på et 4-kanals produkt som kan konfigureres som enten innganger eller utganger.
Figur 7.4 Konfigurerbare DI/DO-produkter for kanalimplementeringsløsninger
Den har en DIO-kjerne, som gjør at individuelle kanaler kan konfigureres som DI (Type 1/3 eller Type 2) eller digital utgang i høy-side eller push-pull-modus. Strømgrensen på DO kan settes fra 130mA til 1,2A. Innebygd-avmagnetiseringsfunksjon. Bytting mellom Type 1/3 og Type 2 digitale innganger krever kun pin-konfigurasjon, noe som eliminerer behovet for eksterne motstander.
Disse enhetene er ikke bare enkle å konfigurere, men også robuste nok for industrielle miljøer. Dette betyr høy ESD-beskyttelse, strømforsyningsspenningsbeskyttelse opp til 60V og linje-til-overspenningsbeskyttelse.
Dette fungerer som et eksempel på hvordan en integrert tilnærming kan låse opp større muligheter (konfigurerbare DI/DO-moduler).
Konklusjon
Når du designer digitale inngangs- eller utgangsmoduler med høy-tetthet, blir diskrete løsninger upraktiske når kanaltettheten overskrider en viss terskel. Integrerte enhetsalternativer må vurderes nøye for termisk styring, pålitelighet og størrelseshensyn.
Når du velger integrerte DI- eller DO-enheter, garanterer nøkkeldatapunkter oppmerksomhet, inkludert pålitelige driftsegenskaper, diagnostikk og støtte for flere inngangs-utgangskonfigurasjoner.