ZHCA734D August 2017 – June 2025 ISO1211 , ISO1212 , ISO1228 , ISO7710 , ISO7720 , ISO7730 , SN65HVS880 , SN65HVS881 , SN65HVS882 , SN65HVS883 , SN65HVS885
數(shù)字輸入模塊
數(shù)字輸入 (DI) 模塊可用于可編程邏輯控制器 (PLC) 和電機驅(qū)動，以接收來自現(xiàn)場傳感器和開關(guān)的 24V 數(shù)字輸入。隔離功能用于管理接地電勢差。使用帶遲滯的電壓比較器將輸入信號轉(zhuǎn)換為邏輯高電平或低電平。同時實施某種形式的電流限制，以避免 24V 輸入產(chǎn)生過度的電流消耗；功率損耗是緊湊型高密度多通道設(shè)計中的一大關(guān)鍵問題。
適用于可編程控制器的 IEC 61131-2 標準指定了三種不同類型的數(shù)字輸入接收器：1 類、2 類和 3 類。1 類和 3 類的理想實施方案為：在開通狀態(tài)下盡可能消耗接近 2mA 的電流，電壓轉(zhuǎn)換閾值介于 5V 到 11V 之間。
圖 1 具有基本電流限制的傳統(tǒng) DI 模塊
圖 2 傳統(tǒng) DI 模塊更加準確但是其電流限制方案較復(fù)雜常見數(shù)字輸入實施方案
圖 1 和 圖 2 顯示了當(dāng)今所用的兩種最常見的數(shù)字輸入接收器實施方案。在 圖 1 所示的第一個案例中，電壓閾值由電阻器 R1 和 R2 設(shè)定，R2 發(fā)揮限制基礎(chǔ)電流的作用。這種針對 3 類輸入的實施方案可輕松以 32V 輸入實現(xiàn)最高為 12mA 的電流消耗。圖 2 所示的第二種實施方案使用了幾個分立式元件（9 至 15），用于高效實現(xiàn)電流限制，控制電壓閾值。在本案例中，對于 3 類接收器，在不同溫度條件下電流消耗可高達 6mA，具體取決于設(shè)計。在這兩個案例中，3 類輸入的電流限值顯著高于 2mA 的理想電流限值。光耦合器后面通常需要使用施密特觸發(fā)緩沖器，以提供用于抗噪的遲滯。
圖 3 帶 ISO1211 的數(shù)字輸入模塊的某一通道
圖 4 在拉電流或灌電流模式下的數(shù)字輸入模塊采用 ISO1228 進行 8 通道操作數(shù)字輸入模塊的新設(shè)計
德州儀器 (TI) 的 ISO1211- 1 通道、ISO1212 - 2 通道和 ISO1228 - 8 通道器件為具有集成電流限制功能的隔離式數(shù)字輸入接收器，符合 IEC 61131-2 1 類、2 類和 3 類特性標準。ISO1211 和 ISO1212 專為功能安全用例所需的通道間隔離而設(shè)計，ISO1228 專為多通道所設(shè)計。圖 3 顯示了帶 ISO1211 的數(shù)字輸入模塊中某一通道的實施方案。電阻 RSENSE 用于控制限流限值，而 RTHR 用于控制電壓轉(zhuǎn)換閾值。RSENSE 和 RTHR 的建議值以及多通道和其他情形的應(yīng)用電路請參見 ISO121x 產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。ISO121x 通過集成精確的電流限制功能、帶遲滯的電壓比較器、反極性保護和隔離功能，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計，并且無需場側(cè)電源。對于 3 類特性，ISO121x 可將輸入電流消耗限制到 2.5mA 以下，比傳統(tǒng)方法低 5 倍。圖 4 顯示了數(shù)字隔離器采用 ISO1228 實施 8 通道操作。ISO1228 在同一器件中支持灌電流模式和拉電流模式，配置情況如圖 4所示。電阻 RILIM 能設(shè)置全部通道的電流限制值。在具有電流限制和診斷功能的 ISO1228 八通道隔離式數(shù)字輸入 數(shù)據(jù)表中提供了 RILIM、RTHR 和 RPAR 的建議值。
圖 5 電路板溫度比較：傳統(tǒng)解決方案與 ISO1212 的對比
圖 6 在環(huán)境溫度為 25°C 且所有通道均開啟時的 ISO1228 電路板溫度與采用光耦合器的傳統(tǒng)方法相比，采用 ISO121x 進行設(shè)計具有以下優(yōu)勢：
- 功率損耗更低：ISO121x 具有的精確電流限制功能可將數(shù)字輸入中的電流消耗降低最高 5 倍，從而降低功率損耗和電路板溫度。如圖 5 所示，在室溫測試過程中使用傳統(tǒng)解決方案，電路板溫度可升至最高 84°C，而使用基于 ISO121x 的解決方案，電路板溫度顯著降低至 45°C。
- 電路板和模塊尺寸更?。?/strong>基于 ISO121x 的解決方案可減少元件數(shù)量，從而縮小電路板尺寸。減小功率損耗還支持在更小的模塊中封裝更多通道。
- 簡化系統(tǒng)設(shè)計：使用 ISO121x，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表可保證 IEC 61131-2 輸入特性、電流限制和隔離功能。無需更多施密特觸發(fā)緩沖器。這樣可簡化系統(tǒng)設(shè)計。
- 高速運行：ISO121x 可提供 4Mbps 數(shù)據(jù)速率和 150ns 延時，從而使接口速度遠遠高于通用型光耦合器。
- 無需場側(cè)電源：這可節(jié)省 24V 場側(cè)電源的連接器和端子的成本以及相應(yīng)的浪涌保護成本。
- 通道獨立：場側(cè)的一個通道損壞（例如由于短路）不會影響任何其他通道。
- 速度更高：多通道器件因串行將速度限制在 20kHz 以下，而 ISO121x 器件可支持最高 2MHz 的時鐘速率。
多通道單芯片設(shè)計
圖 7 比較了采用四個 ISO1212 器件的設(shè)計布局與競品 8 通道單芯片設(shè)計。電路板的 Y 尺寸受到輸入螺紋接線端子和連接器的放置方法的限制。然而，8 通道單芯片設(shè)計的 X 尺寸更大。這是因為 IC 附近布線擁塞，需要占用更多空間。另一方面，由于 ISO1212 只有兩個通道，因此就能更加靈活地將 IC 放置在更靠近輸入端子的位置，從而顯著簡化布線，減小解決方案的尺寸。
圖 7 基于 ISO1212 的設(shè)計與競品 8 通道單芯片設(shè)計之間的布局對比基于 ISO1228 的設(shè)計與傳統(tǒng)實現(xiàn)相比的主要優(yōu)勢：
- 拉電流/灌電流模式：ISO1228 可在同一器件中同時支持灌電流模式和拉電流模式。因此，無需外部整流器。圖 4展示了分別在灌入模式和拉取模式下使用 ISO1228 的數(shù)字隔離器的 8 通道實現(xiàn)情況。
- 使用負電阻輸入結(jié)構(gòu)提高熱性能：ISO1228 的輸入結(jié)構(gòu)中有一個負電阻。在輸入電壓較高時，引腳電流會降低以達到平衡，從而增加通過 RPAR的電流。這使所有引腳電壓的總引腳電流 < 3.3mA，如圖 8所示。如此可提升本器件的熱性能。圖 6。顯示了所有輸入灌電流均為 30V 時的器件熱感圖像。在室溫測試中，器件僅加熱至 55°C。
- 斷線檢測功能：在 PLC 市場，傳感器線從 PLC 傳輸?shù)絺鞲衅鞯木嚯x很長并且在導(dǎo)線受到任何物理損壞時，MCU 永遠不會知道傳感器已斷開。為了防止這種情況，ISO1228 增加了斷線功能。它利用傳感器的漏電流來檢測導(dǎo)線是完好無損且沒有物理損壞的。如果數(shù)字輸入未接收到傳感器的泄漏電流，ISO1228 會向 MCU 報告斷線故障。
- 卓越的 EMC：當(dāng) DI 器件的 8 個通道都能從現(xiàn)場接收信號時，流經(jīng)隔離柵的通信會為電隔離競品器件產(chǎn)生高 EMC。高 RE 可能會導(dǎo)致數(shù)字輸入器件旁邊的 MCU/FPGA 通信中斷。在隔離柵上進行通信時，TI 的 ISO1228 采用了專利技術(shù)，可以實現(xiàn)可忽略不計的 EMC，如圖 9所示。
- 輸入濾波器：數(shù)字輸入主要是會在導(dǎo)通和關(guān)斷期間波動的機械開關(guān)。ISO1228 的每個通道都有 8 個可編程輸入濾波器，能濾除開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。
- 無損耗 LED 指示：在輸入狀態(tài)指示和手動維護中，LED 指示非常重要。ISO1228 使用接近 3mA 的場側(cè)輸入電流，導(dǎo)通每個輸入的 LED。圖 4顯示了每個通道的 LED 連接情況。這樣可以節(jié)省 LED 的任何額外功耗、并有助于改善熱性能。
- 節(jié)省布板空間：這是一種集成式解決方案，它采用如圖 4所示的單個器件代替 8 通道分立式建置。這極大節(jié)省了 PCB 空間，并有助于在相同的布板空間中制造通道數(shù)更多的 PLC 卡。
圖 8 ISO1228 的引腳電流在改變輸入電壓時
始終保持恒定
圖 9 所有通道都開啟時 ISO1228 的 EMC 數(shù)據(jù)
針對浪涌、EFT 和 ESD 抗擾性的設(shè)計
ISO12xx 器件根據(jù) IEC 61000-4-x 標準專門針對浪涌、EFT 和 ESD 抗擾性進行設(shè)計。請參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)表的應(yīng)用部分，獲取設(shè)計和布局指南，實現(xiàn)理想的瞬態(tài)抗擾性。
結(jié)語
ISO1212、ISO1211 和 ISO1228 器件在數(shù)字輸入模塊中引進現(xiàn)代設(shè)計，在小型封裝中集成了 IEC 61131-2 輸入特性、帶遲滯的電壓比較器、精確的電流限制和電隔離功能。與傳統(tǒng)解決方案相比，采用 ISO121x 設(shè)計的模塊可降低功率損耗，從而提高通道密度，而且其外形緊湊，設(shè)計簡單。
| 器件 | 優(yōu)化參數(shù) | 性能權(quán)衡 |
|---|---|---|
| SN65HVS880 | 8 通道數(shù)字輸入串行器 | 非隔離式 3.6mA 電流限制，需要場側(cè)電源 |
| SN65HVS885 | 8 通道數(shù)字輸入串行器 | 非隔離式 3.6mA 電流限制，需要隔離式直流/直流 |