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簡(jiǎn)介

數(shù)字輸入模塊常用于可編程邏輯控制器 (PLC)、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 和鐵路信號(hào)數(shù)據(jù)記錄器，用于檢測(cè)傳感器變送器的 24V 或更高電壓數(shù)字輸入 (DI)。在一些大型 PLC 和數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)中，一塊電路板上需要集成 1000 多個(gè)數(shù)字輸入檢測(cè)電路。傳統(tǒng)的光耦合器設(shè)計(jì)（如何簡(jiǎn)化隔離式 24V PLC 數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)）會(huì)導(dǎo)致電路板溫度過(guò)高（環(huán)境溫度為 58℃ 時(shí)可升溫至 120℃），從而引發(fā)可靠性問(wèn)題。采用大功率電阻器和冷卻風(fēng)扇來(lái)降低這些溫度會(huì)增加不必要的成本。

工業(yè)數(shù)字輸入模塊通常使用螺絲端子通過(guò)長(zhǎng)電纜連接現(xiàn)場(chǎng)傳感器。這種設(shè)置會(huì)拾取惡劣環(huán)境中各種干擾產(chǎn)生的電壓和電流噪聲，如浪涌、靜電放電 (ESD) 和電氣快速瞬變 (EFT)。浪涌可能由雷擊等事件引起。當(dāng)元件或連接器與操作人員接觸時(shí)，可能會(huì)發(fā)生 ESD。靠近高壓和高頻信號(hào)的電纜可能會(huì)導(dǎo)致 EFT。

多通道數(shù)字輸入板呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。實(shí)惠的成本、緊湊的尺寸和低功率耗散促進(jìn)了這一趨勢(shì)的發(fā)展。本文介紹了在多通道高壓數(shù)字輸入電路板設(shè)計(jì)中優(yōu)化空間和散熱的技術(shù)。另外還介紹了其他功能和成本優(yōu)勢(shì)。

減小布板空間的方法

數(shù)字輸入模塊的新設(shè)計(jì)

德州儀器 (TI) 的 ISO1212（2 通道）和 ISO1228（8 通道）器件可提供簡(jiǎn)單的低功耗設(shè)計(jì)以及精確的電流限制，可實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高密度的數(shù)字輸入電路板設(shè)計(jì)。與基于光耦合器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，電流限制特性可降低功率耗散和電路板溫升幅度。應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)如何簡(jiǎn)化隔離式 24V PLC 數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)中展示了這些優(yōu)勢(shì)。這里展示了兩種設(shè)計(jì)，用于檢測(cè)實(shí)際 PLC 或 CNC 系統(tǒng)中的雙向信號(hào)。圖 1(a) 展示了使用一個(gè) COM 端子的雙通道數(shù)字輸入接收器的情況。通道 1 和通道 2 分別在數(shù)字輸入為灌電流或拉電流時(shí)處于激活狀態(tài)。但信號(hào)的狀態(tài)必須通過(guò) OUT1 和 OUT2 的狀態(tài)來(lái)判斷。這種設(shè)計(jì)需要消耗更多的微控制器 I/O 引腳，并會(huì)增加邏輯要求。圖 1(b) 使用的整流器后跟 ISO1212，可用于檢測(cè)每個(gè)器件的兩個(gè)雙向信號(hào)。對(duì)于“N 溝道”數(shù)字輸入電路板設(shè)計(jì)，后者可以節(jié)省更多 PCB 空間和 BOM 成本，從而減少“N”個(gè) ISO1212 的使用。在只需檢測(cè)單向信號(hào)的美洲和歐洲，電路板可以更加緊湊。

圖 1 雙向信號(hào)檢測(cè)的兩種設(shè)計(jì) (a) 帶拉電流或灌電流輸入的 ISO1212 (b) 帶橋式整流器的 ISO1212

使用多路復(fù)用器和解碼器減少微控制器 I/O 引腳總數(shù)

對(duì)于大型系統(tǒng)中的 N 通道數(shù)字輸入電路板設(shè)計(jì)，使用 N 個(gè)微控制器 I/O 來(lái)檢測(cè)這些信號(hào)是不切實(shí)際的。ISO1212 在控制器側(cè)提供了一個(gè)輸出啟用引腳 (EN) 來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。將 EN 引腳設(shè)置為 0 會(huì)使輸出緩沖器處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。該功能可使控制器側(cè)的 ISO1212 與外部多路復(fù)用器和解碼器進(jìn)行多路復(fù)用。

假設(shè)需要構(gòu)建一個(gè) 2 × N × M 通道數(shù)字輸入電路板，數(shù)字輸入電路板系統(tǒng)方框圖如圖 2 所示。模塊是指用于檢測(cè)雙向信號(hào)的電路。系統(tǒng)被分為 M 組，每組都有相同的輸出 OUT1 至 OUT2N，這就為微控制器節(jié)省了 (M-1) × N 條線路。在檢測(cè) OUT1 和 OUT2N 的狀態(tài)時(shí)，可以使用多路復(fù)用器和解碼器來(lái)進(jìn)一步減少微控制器 I/O。例如，16:1 多路復(fù)用器和 3 線至 8 線解碼器可用于檢測(cè) 128 個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)，而只需使用微控制器的 8 個(gè) I/O 引腳。使用 ISO1212 的多路復(fù)用器、解碼器和使能功能可以減少布線數(shù)量，從而節(jié)省布板空間并減少微控制器的 I/O 引腳數(shù)。

圖 2 DI 電路板系統(tǒng)方框圖

使電路板更緊湊的布局建議

使用對(duì)稱布局來(lái)節(jié)省空間

同時(shí)使用底層和頂層來(lái)放置 ISO1212，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的電路板。要隔離的兩側(cè)的外部間距必須符合安全標(biāo)準(zhǔn)。該距離稱為間隙。IEC 60950-1 是描述間隙要求的主要標(biāo)準(zhǔn)（ISO121x 用于數(shù)字輸入模塊的隔離式 24V 至 60V 數(shù)字輸入接收器）。ISO1212 在空氣中的最短端子間距為 3.7mm。對(duì)于某些隔離電壓較低的情況，如 PLC 系統(tǒng)，最小間隙應(yīng)不小于 3mm。圖 3 展示了兩種不同的布局設(shè)計(jì)。圖 3(a) 展示了使用一側(cè)來(lái)放置連接器的設(shè)計(jì)，這使得電路板過(guò)長(zhǎng)。紅色和深茶色區(qū)域的最小間隙必須大于 3.7mm。圖 3(b) 展示了使用電路板兩側(cè)放置連接器的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的形狀為正方形。這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：一是這種設(shè)計(jì)在大多數(shù)應(yīng)用中更為常見，二是這種設(shè)計(jì)節(jié)省了紅色和深茶色區(qū)域中現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和 MCU 側(cè)信號(hào)之間的間隙。必須仔細(xì)考慮的一點(diǎn)是，圖 3(b) 中的信號(hào) 1 必須是 MCU 側(cè)信號(hào)。如果場(chǎng)側(cè)信號(hào)在此處路由，則與 MCU 連接器的 3mm 間隙會(huì)增加。

圖 3 多通道數(shù)字輸入板設(shè)計(jì)的雙層設(shè)計(jì) (a) 使用單側(cè)放置連接器 (b) 使用雙側(cè)放置連接器

減少 VCC1 側(cè)的去耦電容器

大多數(shù)情況下，VCC1 側(cè)需要一個(gè) 100nF 的去耦電容器。去耦電容器用于過(guò)濾通過(guò)直流信號(hào)的電壓噪聲和尖峰。在某些低速多通道數(shù)字輸入信號(hào)板設(shè)計(jì)中（開關(guān)頻率 < 1kHz），可以去掉一些去耦電容器。對(duì)于 圖 3(b) 中的信號(hào) 2，2 × M 個(gè) ISO1212 放置在附近區(qū)域。對(duì)于這些 2M 器件，只需 M 個(gè) ISO1212 進(jìn)行濾波并保持電源穩(wěn)定。在這個(gè)區(qū)域的中間可以放置 M 個(gè)電容器，使兩側(cè) ISO1212 使用相同的電容器，這樣可以節(jié)省每個(gè)電容器大小 M 倍的空間。

使用更多內(nèi)部層對(duì)信號(hào)進(jìn)行布線

為了使電路板更加緊湊，可以使用多層電路板來(lái)路由信號(hào)。使用更多內(nèi)部層來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行布線，減少上下兩層的信號(hào)布線，可以節(jié)省布線空間。內(nèi)部間距的設(shè)計(jì)必須符合某些系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC61010-1，該標(biāo)準(zhǔn)要求針對(duì)不同的隔離電壓進(jìn)行浪涌或脈沖測(cè)試。FR4 的介電強(qiáng)度為 20kV/mm。因此，場(chǎng)側(cè)信號(hào)和 MCU 信號(hào)之間必須留出 1mm 的最小間隙，以滿足浪涌電壓要求。從這一點(diǎn)來(lái)看，如果使用更多的內(nèi)部層來(lái)路由信號(hào)，則只需保持 1mm 的間隙，而無(wú)需在頂層和底層保持 3mm 的間隙，從而使電路板更加緊湊。

使用對(duì)稱布局對(duì)信號(hào)進(jìn)行布線

利用頂層和底層來(lái)放置 ISO1212 以增加通道密度。圖 4 展示了 ISO1212 的頂視圖。為了實(shí)現(xiàn)良好的電路板密度，請(qǐng)對(duì)頂層和底層進(jìn)行特定布局。讓頂層 ISO1212 的 MCU 信號(hào)側(cè)與底層的 ISO1212 具有相同的方向。例如，圖 5 展示了多通道電路板的布局設(shè)計(jì)。假設(shè) N 個(gè) ISO1212 由頂層的 EN1 信號(hào)控制，而 N 個(gè) ISO1212 由底層的 EN2 信號(hào)控制。對(duì)于多路復(fù)用的輸出信號(hào)，可以設(shè)法使頂層 ISO1212 的輸出信號(hào)（由 EN1 控制）與底層 ISO1212 的輸出信號(hào)（由 EN2 控制）具有相同的位置?，F(xiàn)在，可以使用通孔來(lái)連接相同的網(wǎng)絡(luò)。這種對(duì)稱布線的好處是，使用通孔可以節(jié)省一半的輸出信號(hào)布線空間。

圖 4 ISO1212 DBQ 封裝（頂視圖）

圖 5 多通道 DI 電路板布局布線設(shè)計(jì)

結(jié)語(yǔ)

ISO1212（2 通道）和 ISO1228（8 通道）器件可提供簡(jiǎn)單的低功耗設(shè)計(jì)以及精確的電流限制，實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高密度的數(shù)字輸入電路板設(shè)計(jì)。ISO1212 器件可實(shí)現(xiàn)更緊湊的高密度 I/O 模塊。本文介紹了原理圖和布局建議，以使數(shù)字輸入板更緊湊并滿足隔離合規(guī)性要求。在不同情況下使用不同方法可節(jié)省電路板設(shè)計(jì)中的更多空間。

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3. David Lohbeck，Understanding isolator standards and certification to meet safety requirements，National Instruments，EDN，2016 年 1 月。
4. 德州儀器 (TI)，ISO121x 用于數(shù)字輸入模塊的隔離式 24V 至 60V 數(shù)字輸入接收器 數(shù)據(jù)表。
5. 德州儀器 (TI)，采用 ISOW7841 集成式信號(hào)和電源隔離器的低排放設(shè)計(jì) 應(yīng)用報(bào)告。