集成式数字IO和模拟IO产品系列介绍

利用软件可配置数字和模拟IO解决方案，自动化工程师和技术人员可以轻松地远程调试通用IO端口。这类新型软件不仅简化了工厂的布线工作，还可灵活地将多种可选的数字或模拟IO传感器或执行器物理连接至任何未分配的IO端口。此项软件可配置技术可提高工厂内的通道密度，因而更具成本效益。

数字IO

模拟IO

可配置IO

配套IC产品

ADI特别推出《工业IO手册(第一版)》，将主要针对以上四个方面进行全面介绍。这些产品具有出色的稳定性和先进的诊断功能。此外本手册还介绍了许多可作为模板的参考设计，提供满足您需求的解决方案，并帮助您迅速将产品推向市场。

01数字IO

面向自动化工业控制器的数字输入(DI)和数字输出(DO)模块设计一直以来都采用分立器件。工业4.0是工厂运行方式的下一次革命，将不仅需要云控制，还需要更快速的吞吐速率，以充分提高效率和利润。

随着对更多诊断功能的需求不断增长，以增加正常运行时间，所有这些功能都需要整合在尺寸更小、功耗更低的封装内，未来面临的挑战变得越来越清晰。第一步就是设计人员需要了解市场上可用的集成器件，这样DI和DO模块才能最终实现其性能潜力。本部分介绍了现有的集成式数字IO产品系列，并展示了与传统数字IO设计方法相比，这些产品将如何更好地应对工业4.0 需求挑战。

单通道集成式数字输入

分立电路的替代方法就是使用单通道集成解决方案，比如 MAX22191。下图为应用电路，其中MAX22191具有寄生电源，为芯片自身、光隔离器以及用于显示状态信息的外部LED供电，因此是可用的较低功耗数字输入解决方案。

MAX22191灌电流电路与状态/指示灯LED

多通道数字输入

虽然单通道集成IC是对分立方案的改进，但实现8、16、32 或64 DI通道需要更高的集成度，这在新型IO模型中比较常见。然而，多通道DI 芯片也带来了自身挑战：

通道数量的增加要求设计人员思考如何将通道连接至控制器，是并行还是串行?尽管串行数据流意味着需要隔离的引脚较少，但它也 意味着隔离器必须在适合的数据速率也可以正常工作。它必须具有可扩展性，并且需要进行某种形式的误差检测，以验证与控制器通信期间数据流的完整性。

另一方面，并行数据流可能看起来较简单，但它需要更大的隔离IC，以满足多数据通道需求。MAX22195 可将8个24V工业数字输入转换为8个CMOS兼容的并行输出，且所有通道上的输入至输出传输延迟低于300ns。

MAX22195 8通道数字输入，带并行接口

数字输入/数字输出/可配置数字IO/数字隔离器汇总

下表1汇总了Maxim数字输入产品系列的主要特性：

表1.数字输入IC汇总

表2中汇总了Maxim的数字输出IC产品系列：

表2. 数字输出IC汇总

表3中汇总了Maxim的可配置数字IO系列：

表3 可配置数字IO IC汇总

表4中汇总了Maxim的数字隔离器的关键规格：

表4. DIO兼容隔离器汇总

02模拟IO

本部分介绍了现有的集成式模拟IO产品系列，并展示了从模拟输入、模拟输出到可配置模拟IO等一系列内容。

模拟输入

模拟输入(AI)用于监控进行持续测量的仪器仪表状态，例如：容器中流体的体积或压力、电机速度、流量和接近测量。因为这些信号通常需要在电噪声环境下长距离传输，所以我们通常使用电流而不是电压。

由于历史原因，使用的电流范围为4-20mA。可使用高精度外部电阻将电流转换为所需的输入电压范围。用于温度测量的RTD和热电偶会生成不同的电流和电压。高精度、低误差的信号转换是AI的关键性能参数。

MAX22005 是一款12通道工业级模拟输入电压模式器件，通过在每个通道上使用单个外部精密电阻也可将其配置为模拟输入电流模式器件。

MAX22005 12通道可配置工业模拟输入

模拟输出

模拟输出用于提供连续电压或电流(4-20mA)信号，以实现车间执行器(例如：在阀门上用于控制流体流动)、变速电机和温度控制器的精密控制。这些器件的关键规格包括高精密DAC、分辨率范围和恶劣环境下的可靠性能。

MAX22007 是一款工厂校准的可软件配置4通道模拟输出，能够在每个通道上提供电压或电流输出。

使用MAX22007的两线制应用电路

可配置模拟IO IC/隔离式ADC汇总

下表5汇总了了Maxim模拟IO IC产品系列的主要特性：

表5.模拟IO IC汇总

表6中汇总了的隔离式ADC IC的关键规格：

表6. 隔离式ADC IC汇总

03工业IO设计资源

该部分主要介绍了面向大电流感性负载的数字输出模块设计、瞬变抗扰度的系统设计建议、工业IO评估板和外设模块、参考设计、工业IO设计资源汇总、工业IO资源，帮助您和您的企业更好地完成相关设计。

面向大电流感性负载的数字输出模块设计

面对电感反冲电压(浪涌)，在实际电路中，对感性负载进行放电的最常见解决方案就是使用续流二极管。在本电路中，当开关闭合时，二极管被反向偏置且不导电。当开关打开时，通过电感的负电源电压会使二极管正向偏置，从而通过引导电流通过二极管的方式使存储能量衰减，直至达到稳定状态且电流为零。另一种解决方案就是使用齐纳二极管，管可提供更快的电流斜坡下降，而不是 数级衰减。当开关打开时，电流通过通用二极管和齐纳二极管路径分流。这可使电压等于齐纳电压(加上二极管正向压降)，直至电感能量耗散。

加快电流衰减的两种方案

使用MOSFET的有源箝位

对于工业应用，“开关”通常为MOSFET。当MOSFET关闭，同时切换电感负载时(如果没有可用保护)，则通过漏极和源极的电压(VDS)会增加，直至MOSFET出现故障。现代高端开关经常会使用一种称为有源箝位的技术,这种技术会在切换感性负载时限制VDS，以保护MOSFET。

集成有源钳位的高端开关(MOSFET)

但每个开关都有可支持的最大感性负载和负载电流;否则，MOSFET在有源箝位模式下会出现散热问题。系统设计人员应负责确保开关(MOSFET)能够处理关闭模式下消耗的更高功率。否则，结温升高会产生应力，并可能损坏开关设备。为解决该问题，MAX14912/MAX14913 8通道高速开关会采用一种名为安全退磁(SafeDemag)的新架构。可与快速退磁电路一起使用，并允许MAX14912/MAX14913在电感不受限的情况下安全地关闭负载。

按退磁功能列出的DO产品汇总

瞬变抗扰度的系统设计建议

在恶劣工业环境下可靠运行需要使用数字输入IC。Maxim专有的工艺技术结合了内部ESD结构与较高的绝对最大额定值，可确保输入通道和现场电源引脚的出色可靠性，但需要使用外部器件来吸收ESD和浪涌瞬变的过多能量。

MAX22199EVKIT#评估板

建议的瞬变抗扰度保护器件

参考设计

为了模拟我们工业IO IC的实际应用，我们创建了各种参考设计。它们尚未获得现场使用的认证，但可利用它们迅速为实际设计提供基础，以便日后由OEM进行认证。

MAXREFDES1165 32通道IO模块系统框图

MAXREFDES176#系统框图

MAXREFDES177#通用模拟IO

MAXREFDES183#系统框图

原文标题：助力打造未来工厂边缘智能典范，ADI《工业IO手册》正式发布!

文章出处：【微信公众号：亚德诺半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

审核编辑：汤梓红