Gradnja visoko{0}}kanalnih-digitalnih V/I modulov za naslednjo-generacijo krmilnikov za industrijsko avtomatizacijo
[Uvod] Medtem ko val industrije 4.0 preplavlja pokrajino, postajajo pametni senzorji vse bolj razširjeni v tovarniških okoljih. Široka uporaba senzorjev povzroča pomemben premik: potrebo po obdelavi velikih količin V/I-tako digitalnih kot analognih-znotraj podedovanih krmilnikov. Zato je razvoj V/I modulov z visoko-gostoto, ki ohranjajo obvladljivo velikost in toplotne profile, postal kritičen. V tem članku se ADI osredotoča na digitalni V/I.
Običajno je digitalni V/I v PLC-jih sestavljen iz diskretnih komponent, kot so upori/kondenzatorji ali ločeni gonilniki FET. Da bi čim bolj zmanjšali velikost krmilnika in hkrati upravljali z 2- do 4-krat več kanali, se industrija preusmerja z diskretnih na integrirane rešitve.
Poleg tega ima diskretni pristop številne pomanjkljivosti, zlasti kadar vsak modul obravnava osem ali več kanalov. Pravzaprav je že sama omemba visokega odvajanja toplote/moči, velikega obsega diskretnih komponent (ob upoštevanju velikosti in povprečnega časa med napakami (MTBF)) in potrebe po zanesljivih sistemskih specifikacijah dovolj za prikaz nepraktičnosti diskretnega pristopa.
Slika 1 ponazarja tehnične izzive, s katerimi se srečujemo pri izdelavi modulov digitalnega vhoda (DI) in digitalnega izhoda (DO) visoke -gostote. Tako sistemi DI kot DO zahtevajo natančno preučitev velikosti in toplotnega upravljanja.
Slika 1. Premisleki o digitalnih vhodnih in izhodnih modulih
Za digitalne vhode upoštevajte, da podpira različne vrste vhodov, vključno z vhodi razreda 1/2/3 in v nekaterih primerih vhodi 24 V in 48 V. V vseh scenarijih so najpomembnejše zanesljive karakteristike delovanja in celo zaznavanje odprtega-vezja je ključnega pomena.
Za digitalne izhode sistem uporablja različne konfiguracije FET za pogon obremenitev. Natančnost pogonskega toka je običajno ključnega pomena. Za številne aplikacije je treba upoštevati tudi diagnostiko.
Spodaj raziskujemo, kako lahko integrirane rešitve pomagajo pri reševanju nekaterih teh izzivov.
Oblikovanje visoko{0}}kanalnih-digitalnih vhodnih modulov
Tradicionalne diskretne zasnove uporabljajo mreže uporovnih delilnikov za pretvorbo signalov 24 V/48 V v signale, ki jih lahko uporabljajo mikrokontrolerji. Diskretni filtri RC se lahko uporabljajo tudi na sprednji strani. Kadar je potrebna izolacija, se včasih uporabljajo zunanji optični sklopniki.
Slika 2 prikazuje tipičen diskretni pristop za izdelavo digitalnih vhodnih vezij.
Slika 2. Tradicionalna zasnova digitalnega vhoda z uporabo diskretne logikeTa vrsta zasnove je primerna za določeno število digitalnih vhodov, natančneje od 4 do 8 na ploščo. Nad to številko zasnova hitro postane nepraktična. Ta diskretni pristop uvaja različne težave, vključno z:
● Velika poraba energije in s tem povezane vroče točke na plošči.
● Vsak kanal zahteva ločen optični sklopnik.
● Prekomerne komponente povzročajo nizke stopnje FIT in lahko zahtevajo večje naprave.
Bolj kritično, pristop diskretne zasnove pomeni, da se vhodni tok povečuje linearno z vhodno napetostjo. Razmislite o vhodnem uporu 2,2 kΩ in 24 V VIN. Ko je vhod 1 (npr. pri 24 V), je vhodni tok 11 mA, kar ustreza disipaciji moči 264 mW. 8-kanalni modul porabi več kot 2W, medtem ko 32-kanalni modul porabi več kot 8W. Glej sliko 3 spodaj:
Slika 3. Ocenjena poraba energije digitalnega vhodnega modula, izdelanega z uporabo diskretne logike
Samo s termičnega vidika ta diskretna zasnova ne more podpirati več kanalov na eni plošči.
Ena ključnih prednosti integriranih digitalnih vhodov je občutno zmanjšana poraba energije, s čimer se minimizirajo toplotne zahteve. Večina integriranih digitalnih vhodnih naprav omogoča nastavljivo omejevanje vhodnega toka za znatno nižjo porabo energije.
Ko je tokovna omejitev nastavljena na 2,6 mA, poraba energije znatno pade na približno 60 mW na kanal. Nazivno porabo energije za 8-kanalni digitalni vhodni modul je zdaj mogoče nastaviti pod 0,5 vata, kot je prikazano na sliki 4 spodaj:
Slika 4. Ocenjeni prihranki energije za digitalne vhodne module z uporabo integriranih čipov DI
Drug razlog proti uporabi diskretnih logičnih zasnov je, da morajo moduli DI včasih podpirati različne vrste vnosov. Objavljeni standard IEC- za digitalne vhode 24 V določa vrste 1, 2 in 3. Tipa 1 in 3 se običajno uporabljata skupaj, ker sta njuni tokovni in mejni vrednosti zelo podobni. Tip 2 ima višjo tokovno mejo 6 mA. Pri diskretnem pristopu bo morda potrebna prenova, saj bi bilo treba posodobiti večino diskretnih komponent.
Integrirani digitalni vhodni izdelki na splošno podpirajo vse tri vrste. V bistvu tipa 1 in tipa 3 običajno podpirajo integrirane digitalne vhodne naprave. Vendar pa morata biti za izpolnitev minimalne zahteve toka 6 mA za vhode tipa 2 vzporedno povezana dva kanala za en vhod polja. Samo tokovno-omejevalni upor je treba prilagoditi. To zahteva manjšo spremembo PCB.
Na primer, trenutne naprave ADI DI imajo omejitev toka 3,5 mA/kanal. Zato je treba, kot je prikazano na sliki, ko se vzporedno uporabljata dva kanala in mora sistem prilagoditi vhode tipa 2, upora REFDI in RIN prilagoditi. Pri nekaterih novejših komponentah je mogoče trenutno vrednost izbrati tudi prek pinov ali programske opreme.
Slika 5. Uporaba dveh vzporednih kanalov za podporo dveh-vrst digitalnih vhodov
Za podporo digitalnih vhodnih signalov 48 V (ni pogosta zahteva) je potreben podoben postopek, ki zahteva dodatek zunanjega upora za prilagoditev praga napetosti na koncu polja. Nastavite vrednost tega zunanjega upora tako, da "tokovna meja * R + prag" zatiča ustreza specifikaciji praga napetosti na koncu polja (glejte podatkovni list naprave).
Nazadnje, ker se digitalni vhodni modul povezuje s senzorji, mora zasnova ustrezati zanesljivim operativnim karakteristikam. Pri uporabi diskretne rešitve morajo biti te zaščitne funkcije skrbno zasnovane. Ko izbirate integrirano digitalno vhodno napravo, zagotovite, da je naslednje določeno v skladu z industrijskimi standardi:
● Širok razpon vhodne napetosti (npr. do 40V).
● Zmožnost uporabe terenskega napajanja (7V do 65V).
● Visoka toleranca ESD (±15kV ESD zračna reža) in zmogljivost prenapetosti (običajno 1kV).
Zagotavljanje diagnostike prenapetosti in previsoke temperature je koristno tudi za omogočanje MCU, da sprejme ustrezne ukrepe.
Oblikovanje visoko{0}}kanalnih-digitalnih izhodnih modulov
Tipična zasnova diskretnega digitalnega izhoda vključuje FET z gonilnim vezjem, ki ga poganja mikrokrmilnik. Za konfiguracijo FET za pogon mikrokrmilnika je mogoče uporabiti različne metode.
Zgornje{0}}stransko obremenitveno stikalo je definirano kot stikalo, ki ga krmili zunanji omogočitveni signal, ki povezuje ali odklaplja napajalnik od danega bremena. V primerjavi s spodnjim-stranskim stikalom za breme, zgornje-stransko stikalo dovaja tok bremenu, medtem ko spodnje-stransko stikalo povezuje ali odklaplja ozemljitveno povezavo bremena in črpa tok iz bremena. Čeprav oba uporabljata en sam FET, je težava s stikali na spodnji-strani ta, da lahko breme povzroči kratki stik z maso. Visoko-stranska stikala ščitijo obremenitev s preprečevanjem kratkega stika z ozemljitvijo. Vendar je nizko{10}}stranska stikala cenejša za izvedbo. Včasih je izhodni gonilnik konfiguriran tudi kot potisno{12}}stikalo, ki zahteva dva MOSFET-a. Glej sliko 6 spodaj:
Slika 6. Različne konfiguracije, uporabljene za gonilnik digitalnega izhoda
Integrirane naprave DO lahko združijo več kanalov DO v eno komponento. Ker visoko-stran, nizko-stran in potisno-stikala uporabljajo različne konfiguracije FET, je mogoče uporabiti različne naprave za implementacijo vsake vrste izhodnega gonilnika.
Vgrajeno-razmagnetenje za induktivne obremenitve
Ključna prednost integriranih digitalnih izhodnih naprav je njihova vgrajena-zmožnost razmagnetenja za induktivna bremena.
Induktivno breme je vsaka naprava, ki vsebuje tuljavo, ki, ko je pod napetostjo, običajno opravlja mehansko delo-, kot so elektromagnetni ventili, motorji in aktuatorji. Magnetno polje, ki ga ustvari tok, lahko premakne kontakte stikala v relejih ali kontaktorjih za delovanje elektromagnetnih ventilov ali vrti gred motorja. V večini primerov inženirji za krmiljenje induktivnih obremenitev uporabljajo-stranska stikala. Izziv je v izpraznitvi induktorja, ko se stikalo izklopi in tok preneha teči v breme. Negativni učinki zaradi nepravilnega praznjenja vključujejo: kontakti releja lahko obločijo, veliki negativni konici napetosti lahko poškodujejo občutljive IC-je in nastane visoko{6}}frekvenčni šum ali EMI, kar na koncu vpliva na delovanje sistema.
Pri diskretnih rešitvah je najpogostejši pristop za odvajanje induktivnih bremen uporaba diode s prostim tekom. V tem vezju, ko je stikalo zaprto, je dioda vzvratno-napeta in ne prevaja. Ko se stikalo odpre, negativna napajalna napetost preko induktorja naprej-napaja diodo in razprši shranjeno energijo s prevajanjem toka skozi njo, dokler ni doseženo enakomerno stanje z ničelnim tokom.
Za številne aplikacije, zlasti industrijske, kjer ima vsaka V/I kartica več izhodnih kanalov, je ta dioda pogosto velika, kar znatno poveča stroške in zasnovo.
Sodobne digitalne izhodne naprave izvajajo to funkcijo interno z uporabo aktivnega vpenjalnega vezja. Na primer, ADI uporablja patentirano funkcijo SafeDemag™, ki digitalnim izhodnim napravam omogoča varen izklop obremenitev, ne da bi jih ovirali induktorji. Za več podrobnosti kliknite tukaj za dostop do opombe o prijavi na spletni strani.
Pri izbiri digitalnih izhodnih naprav je treba upoštevati več ključnih dejavnikov. Pozorno preglejte naslednje specifikacije v podatkovnem listu:
● Preverite nazivni največji neprekinjeni tok in zagotovite, da je več izhodov mogoče vzporediti, ko je to potrebno, da dosežete višje tokovne gonilnike.
● Preverite, ali lahko izhodna naprava poganja več visoko{0}}tokovnih kanalov (ki presega temperaturno območje). Oglejte si podatkovni list, da zagotovite čim nižjo upornost, napajalni tok in toplotno upornost.
● Specifikacije natančnosti pogona izhodnega toka so prav tako kritične.
Diagnostične informacije so ključnega pomena za okrevanje po določenih--delovalnih pogojih, ki so zunaj dosega. Prvič, zaželene so diagnostične informacije za vsak izhodni kanal. To vključuje zaznavanje temperature, nadtoka, odprtega-kroga in-kratkega stika. Z vidika-ravni čipa pomembna diagnostika vključuje toplotno zaustavitev, prenizko napetost VDD in diagnostiko SPI. Poiščite nekatere ali vse te diagnostike v integriranih digitalnih izhodnih napravah.
Programabilne digitalne vhodno/izhodne naprave
Integracija DI in DO na IC omogoča ustvarjanje izdelkov, ki jih je mogoče konfigurirati. To je primer 4-kanalnega izdelka, ki ga je mogoče konfigurirati kot vhode ali izhode.
Slika 7.4 Nastavljivi izdelki DI/DO za rešitve za implementacijo kanala
Vsebuje jedro DIO, ki omogoča, da se posamezni kanali konfigurirajo kot DI (tip 1/3 ali tip 2) ali digitalni izhod v visoko-stranskem ali potisno-načinu. Tokovno omejitev na DO je mogoče nastaviti od 130 mA do 1,2 A. Vgrajena-funkcija razmagnetenja. Preklapljanje med digitalnimi vhodi tipa 1/3 in tipa 2 zahteva samo konfiguracijo pinov, kar odpravlja potrebo po zunanjih uporih.
Te naprave niso samo enostavne za konfiguracijo, temveč so tudi dovolj robustne za industrijska okolja. To pomeni visoko zaščito pred ESD, zaščito pred napajalno napetostjo do 60 V in zaščito pred prenapetostjo med--omrežjem.
To služi kot primer, kako lahko integrirani pristop odklene večje možnosti (nastavljivi DI/DO moduli).
Zaključek
Pri načrtovanju digitalnih vhodnih ali izhodnih modulov z visoko{0}}gostoto postanejo diskretne rešitve nepraktične, ko gostota kanala preseže določen prag. Integrirane možnosti naprav je treba skrbno oceniti glede toplotnega upravljanja, zanesljivosti in velikosti.
Pri izbiri integriranih naprav DI ali DO je treba posvetiti pozornost ključnim podatkovnim točkam, vključno z zanesljivimi lastnostmi delovanja, diagnostiko in podporo za več vhodno-izhodnih konfiguracij.