当工业4.0浪潮席卷时，智能传感器在工厂环境中越来越流行。广泛使用的传感器带来了一个重要的变化，即在旧控制器中处理大量的传感器IO，包括数字IO或模拟IO。因此，构建高密度的可控尺寸和热量IO模块成为关键。AD重点介绍数字IO。

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通常，PLC中的数字IO电阻/电容或独立的分立式设备FET驱动组件。为了尽可能减小控制器的尺寸，并要求能够处理2到4倍的通道数量，这促进了从分立方案向集成方案的转变。

此外，分立式方法存在许多缺点，特别是当每个模块处理的通道数量达到8个或更多时。事实上，只要提到高热量/功耗和大量分立式组件（从尺寸和平均故障间隔）(MTBF)当需要可靠的系统规格时，角度)和分立方法是不可行的。

图1显示构建高密度数字输入(DI)和数字输出(DO)技术挑战模块。DI和DO在系统中，需要考虑尺寸和散热。

图3。使用分立逻辑构建的数字输入模块的估计功耗

从散热的角度来看，这种分立式设计不能支持单板上的多个通道。

集成式数字输入设计的最大优势之一在于显着降低功耗，从而减少散热。大多数集成式数字输入器件允许可配置的输入电流限制，以显着降低功耗。

限流值设置为2.6mA当功耗显著降低时，每个通道约为60mW。如下图4所示：

图4.采用集成式DI节省芯片数字输入模块的估计功率

反对分立式逻辑设计的另一个原因是：有时DI模块必须支持不同类型的输入。IEC公布的标准24V由于其电流和阈值限值非常相似，数字输入规格分为1型、2型和3型。2型有6型mA限流值更高。由于大多数立值都需要更新，因此在采用分立式方法时可能需要重新设计。

集成数字输入产品通常支持所有这三种类型。从本质上讲，集成数字输入设备通常支持1型和3型。然而，为了满足最低6型输入的要求mA需要现场输入并联使用两个通道进行电流要求。只调整限流电阻。这需要电路板的变化，但变化很小。

例如，当前AD的DI设备限流值为3.5mA/通道。因此，当两个通道并联使用时，如果系统必须连接到2型输入，则需要调整REFDI电阻和RIN电阻。对于一些较新的部件，也可以使用引脚或软件选择电流值。

图5.并联使用两个通道支持2型数字输入

要支持48V数字输入信号（非常见要求）需要使用类似的过程，并且必须添加外部电阻来调整现场一端的电压阈值。设置外部电阻值，使引脚限流值*R 阈值应满足现场一端的电压阈值规范（见设备数据手册）。

最后，由于数字输入模块与传感器连接，因此设计必须符合可靠的工作特性要求。当使用分立式方案时，必须仔细设计这些保护功能。选择集成式数字输入器件时，确保根据行业规范确定以下各项：

●宽输入电压范围(例如，高达40V）。

●可使用现场电源(7)V至65V）。

●能够承受高ESD（±15kV ESD气隙)和浪涌(一般为1KV）。

提供过电压和过温诊断也很有用MCU采取合适的AD中国官网操作。

典型的分立式数字输出设计数字输出设计FET，由微控制器驱动。配置可以使用不同的方法FET，驱动微控制器。

高端负载开关的定义是：它由外部信号控制，连接或断开电源与给定负载的连接。与低端负载开关相比，高端开关提供负载电流，而低端开关连接或断开负载接地连接，从负载获取电流。尽管它们都使用单个FET，但低端开关的问题是负载和接地之间可能会短路。保护高端开关负载，防止接地短路。但低端开关的实现成本较低。有时，输出驱动器配置为推拉开关，需要两个MOSFET。参见下方的图6：

图6.不同配置的数字输出驱动器

集成式DO多个装置可以使用DO通道集成到单个设备中。由于使用高端、低端和推拉开关FET由于配置不同，各种输出驱动器可以使用不同的设备。

内置消磁的感性负载

集成数字输出器件的关键优点之一是内置感性负载消磁功能。

感性负载是任何包含线圈的装置，通常在通电后进行一些机械工作，如电磁阀、电机和执行器。电流引起的磁场可以移动继电器或接触器中的开关触点，以操作电磁阀或旋转电机轴。在大多数情况下，工程师使用高端开关来控制感性负载，挑战是当开关打开，电流不再流入负载时，如何给电感放电。放电不当造成的负面影响包括：继电器触点可能会拉弧，大负压峰会损坏敏感型IC，产生高频噪声或EMI，然后影响系统性能。

在分立方案中，放电感性负载最常见的解决方案是使用续流二极管。在本电路中，当开关关闭时，二极管反向偏置，不导电。当开关打开时，电感的负电源电压会使二极管正向偏置，从而通过引导电流衰减存储能量，直到达到稳定状态，电流为零。

对于许多应用，尤其是工业行业的每一个应用，IO该卡具有多个输出通道的应用，通常尺寸较大，会导致成本和设计尺寸大幅增加。

现代数字输出装置使用主动钳位电路在装置中实现此功能。AD已获得专利的安全消磁(SafeDemagTM)该功能允许数字输出装置在不受电感限制的情况下安全关闭负载。有关更多详细信息，请点击此访问网站查看应用笔记。

在选择数字输出设备时，需要考虑多个重要因素。数据手册中应仔细考虑以下规格：

●检查最大连续电流额定值，并确保在必要时并联多个输出以获得更高电流的驱动器。

●确保输出器能够驱动多个高电流通道（超过温度范围）。参考数据手册，确保导电阻、电源电流和热电阻值尽可能低。

●输出电流驱动精度规格也很重要。

诊断信息对于在一些超出范围的工作条件下恢复非常重要。首先，我希望获得每个输出通道的诊断信息。包括温度、过电流、开路和短路。从整体（芯片）来看，重要诊断包括热关断VDD欠压和SPI诊断。在集成数字输出器中找到部分或全部诊断。

可编程数字输入/输出设备

通过在IC上集成DI和DO，可以构建可配置的产品。这是一个可配置为输入或输出的4通道产品示例。

图7.4通道可配置方案DI/DO产品

它有一个DIO这意味着单个通道可以在高端或推拉模式下配置为DI(1/3型或2型)或数字输出。DO上限流值可设置为130mA至1.2A。内置消磁功能。在1/3或2型数字输入之间切换，只需设置一个引脚，无需使用外部电阻。

这些设备不仅配置方便，而且耐用，可以在工业环境中工作。这意味着高ESD，提供高达60V电源电压保护和线路接地浪涌保护。

可以看出，这是一种可以通过集成方法实现更多可能性（可配置）DI/DO模块)示例。

当设计高密度数字输入或输出模块时，一旦通道密度超过一定数量，分立方案就变得毫无意义。综合设备选项必须仔细考虑散热、可靠性和尺寸。

选择集成式DI或DO在设备中，必须注意一些重要的数据点，包括可靠的工作特性、诊断和支持多种输入输出配置。