차세대 산업 자동화 컨트롤러를 위한 높은-채널-밀도 디지털 I/O 모듈 구축-
[소개] Industry 4.0의 물결이 전 세계를 휩쓸면서 공장 환경에서 스마트 센서가 점점 더 널리 보급되고 있습니다. 센서의 광범위한 채택으로 인해 상당한 변화가 일어나고 있습니다. 즉, 레거시 컨트롤러 내에서 대량의 I/O-디지털 및 아날로그 모두-를 처리해야 하는 필요성이 발생하고 있습니다. 결과적으로, 관리 가능한 크기와 열 프로필을 유지하는 고밀도 I/O 모듈을 개발하는 것이 중요해졌습니다. 이 기사에서 ADI는 디지털 I/O에 중점을 둡니다.
일반적으로 PLC의 디지털 I/O는 저항기/커패시터 또는 별도의 FET 드라이버와 같은 개별 구성 요소로 구성됩니다. 2~4배 더 많은 채널을 처리하면서 컨트롤러 크기를 최소화하기 위해 업계는 개별 솔루션에서 통합 솔루션으로 전환하고 있습니다.
게다가 개별 접근 방식에는 특히 각 모듈이 8개 이상의 채널을 처리할 때 많은 단점이 있습니다. 실제로 높은 열/전력 손실, 개별 구성 요소의 엄청난 양(크기 및 평균 고장 간격(MTBF) 모두 고려), 신뢰할 수 있는 시스템 사양의 필요성에 대한 단순한 언급만으로도 개별 접근 방식의 비실용성을 입증하기에 충분합니다.
그림 1은 고밀도 디지털 입력(DI) 및 디지털 출력(DO) 모듈을 구축할 때 직면하게 되는 기술적 과제를 보여줍니다. DI 및 DO 시스템 모두 크기와 열 관리를 신중하게 고려해야 합니다.
그림 1. 디지털 입력 및 출력 모듈에 대한 고려 사항
디지털 입력의 경우 클래스 1/2/3 입력과 경우에 따라 24V 및 48V 입력을 포함한 다양한 입력 유형을 지원합니다. 모든 시나리오에서 안정적인 작동 특성이 가장 중요하며 개방-회로 감지도 중요합니다.
디지털 출력의 경우 시스템은 부하를 구동하기 위해 다양한 FET 구성을 사용합니다. 구동 전류의 정밀도는 일반적으로 중요한 고려 사항입니다. 많은 응용 분야에서는 진단 기능도 고려해야 합니다.
아래에서는 통합 솔루션이 이러한 과제 중 일부를 해결하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴보겠습니다.
고밀도-채널-밀도 디지털 입력 모듈 설계
기존 개별 설계에서는 저항 분배기 네트워크를 사용하여 24V/48V 신호를 마이크로컨트롤러에서 사용할 수 있는 신호로 변환합니다. 개별 RC 필터를 프런트 엔드에 사용할 수도 있습니다. 절연이 필요한 경우 외부 광커플러가 사용되는 경우가 있습니다.
그림 2는 디지털 입력 회로를 구성하기 위한 일반적인 이산 접근 방식을 보여줍니다.
그림 2. 이산 로직을 사용하는 기존 디지털 입력 설계이러한 유형의 설계는 특정 수의 디지털 입력, 특히 보드당 4~8개에 적합합니다. 이 숫자를 초과하면 디자인이 금방 실용적이지 않게 됩니다. 이러한 개별 접근 방식은 다음을 포함한 다양한 문제를 야기합니다.
● 높은 전력 소비 및 보드의 관련 핫스팟.
● 각 채널에는 별도의 옵토커플러가 필요합니다.
● 과도한 구성 요소로 인해 FIT 비율이 낮아지고 더 큰 장치가 필요할 수 있습니다.
더욱 중요한 점은 이산 설계 접근 방식은 입력 전류가 입력 전압에 따라 선형적으로 증가한다는 것을 의미합니다. 2.2KΩ 입력 저항과 24V VIN을 고려해보세요. 입력이 1(예: 24V)일 때 입력 전류는 11mA이며 이는 전력 소모가 264mW에 해당합니다. 8채널 모듈은 2W 이상을 소비하는 반면, 32채널 모듈은 8W를 초과합니다. 아래 그림 3을 참조하세요.
그림 3. 이산 로직을 사용하여 구성된 디지털 입력 모듈의 예상 전력 소비
열적 관점에서만 볼 때 이 개별 설계는 단일 보드에서 여러 채널을 지원할 수 없습니다.
통합 디지털 입력 설계의 주요 장점 중 하나는 전력 소비를 크게 줄여 열 요구 사항을 최소화한다는 것입니다. 대부분의 통합 디지털 입력 장치에서는 입력 전류 제한을 구성하여 전력 소비를 크게 낮출 수 있습니다.
전류 제한을 2.6mA로 설정하면 전력 소비가 채널당 약 60mW로 크게 떨어집니다. 이제 아래 그림 4와 같이 8채널 디지털 입력 모듈의 정격 전력 소비를 0.5W 미만으로 설정할 수 있습니다.
그림 4. 통합 DI 칩을 사용한 디지털 입력 모듈의 예상 전력 절감량
개별 로직 설계를 사용하지 않는 또 다른 이유는 DI 모듈이 때때로 다른 입력 유형을 지원해야 한다는 것입니다. 24V 디지털 입력에 대한 IEC{1}}발표 표준은 유형 1, 2, 3을 지정합니다. 유형 1과 3은 전류 및 임계값 제한이 매우 유사하기 때문에 일반적으로 함께 사용됩니다. 유형 2는 6mA의 더 높은 전류 제한을 갖습니다. 개별 접근 방식을 사용하면 대부분의 개별 구성 요소를 업데이트해야 하므로 재설계가 필요할 수 있습니다.
통합 디지털 입력 제품은 일반적으로 세 가지 유형을 모두 지원합니다. 기본적으로 유형 1과 유형 3은 일반적으로 통합 디지털 입력 장치에서 지원됩니다. 그러나 유형 2 입력에 대한 최소 6mA 전류 요구 사항을 충족하려면 단일 필드 입력에 대해 두 채널을 병렬로 연결해야 합니다. 전류-제한 저항만 조정이 필요합니다. 이를 위해서는 약간의 PCB 수정이 필요합니다.
예를 들어, 현재 ADI DI 장치의 전류 제한은 3.5mA/채널입니다. 따라서 그림에 표시된 것처럼 두 채널을 병렬로 사용하고 시스템이 유형 2 입력을 수용해야 하는 경우 REFDI 및 RIN 저항을 조정해야 합니다. 일부 최신 구성 요소의 경우 핀이나 소프트웨어를 통해 현재 값을 선택할 수도 있습니다.
그림 5. 두 개의 채널을 병렬로 사용하여 두 가지 유형의 디지털 입력 지원-
48V 디지털 입력 신호(일반적인 요구 사항은 아님)를 지원하려면 유사한 프로세스가 필요하며 필드 끝에서 전압 임계값을 조정하기 위해 외부 저항기를 추가해야 합니다. 핀의 "전류 제한 * R + 임계값"이 필드 끝의 전압 임계값 사양을 충족하도록 이 외부 저항기의 값을 설정합니다(디바이스 데이터 시트 참조).
마지막으로 디지털 입력 모듈은 센서에 연결되므로 설계는 안정적인 작동 특성을 충족해야 합니다. 개별 솔루션을 사용하는 경우 이러한 보호 기능을 신중하게 설계해야 합니다. 통합 디지털 입력 장치를 선택할 때 다음 사항이 업계 표준에 따라 결정되었는지 확인하십시오.
● 넓은 입력 전압 범위(예: 최대 40V).
● 필드 전원(7V ~ 65V)을 사용하는 기능.
● 높은 ESD 내성(±15kV ESD 에어 갭) 및 서지 성능(일반적으로 1kV).
과전압 및 과열 진단을 제공하는 것도 MCU가 적절한 조치를 취할 수 있도록 하는 데 도움이 됩니다.
고밀도-채널-밀도 디지털 출력 모듈 설계
일반적인 개별 디지털 출력 설계는 마이크로컨트롤러로 구동되는 드라이버 회로가 있는 FET를 특징으로 합니다. 마이크로컨트롤러를 구동하도록 FET를 구성하는 데 다양한 방법을 사용할 수 있습니다.
상부{0}}부하 스위치는 주어진 부하에서 전원 공급 장치를 연결하거나 연결 해제하는 외부 활성화 신호에 의해 제어되는 스위치로 정의됩니다. 하부-측 부하 스위치와 비교하여 상부-측 스위치는 부하에 전류를 공급하는 반면, 하부-측 스위치는 부하의 접지 연결을 연결하거나 분리하여 부하에서 전류를 끌어옵니다. 둘 다 단일 FET를 사용하지만 하단-측 스위치의 문제는 부하가 접지로 단락될 수 있다는 것입니다. 하이-측 스위치는 접지 단락을 방지하여 부하를 보호합니다. 그러나 로우사이드 스위치는 구현 비용이 저렴합니다. 때로는 출력 드라이버가 푸시-풀 스위치로 구성되어 두 개의 MOSFET이 필요한 경우도 있습니다. 아래 그림 6을 참조하세요.
그림 6. 디지털 출력 드라이버에 사용되는 다양한 구성
통합 DO 장치는 여러 DO 채널을 단일 구성 요소로 결합할 수 있습니다. 하이-사이드, 로우{2}}사이드 및 푸시{3}}풀 스위치는 서로 다른 FET 구성을 사용하므로 각 유형의 출력 드라이버를 구현하는 데 고유한 장치를 사용할 수 있습니다.
유도 부하를 위한 내장형 감자기-
통합 디지털 출력 장치의 주요 장점은 유도 부하에 대한 자기소거 기능이 내장되어 있다는 것입니다.{0}}
유도 부하는 전원이 공급되면 일반적으로 솔레노이드 밸브, 모터, 액추에이터와 같은{0}}기계적 작업을 수행하는 코일이 포함된 모든 장치입니다. 전류에 의해 생성된 자기장은 릴레이 또는 접촉기의 스위치 접점을 움직여 솔레노이드 밸브를 작동하거나 모터 샤프트를 회전시킬 수 있습니다. 대부분의 경우 엔지니어는 유도 부하를 제어하기 위해 하이{3}}측 스위치를 사용합니다. 문제는 스위치가 꺼지고 전류가 부하로 더 이상 흐르지 않을 때 인덕터를 방전시키는 데 있습니다. 부적절한 방전으로 인한 부정적인 영향으로는 릴레이 접점에 아크가 발생할 수 있고, 큰 음의 전압 스파이크가 민감한 IC를 손상시킬 수 있으며, 고주파 노이즈 또는 EMI가 생성되어 궁극적으로 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
개별 솔루션에서 유도성 부하를 방전하는 가장 일반적인 접근 방식은 환류 다이오드를 사용하는 것입니다. 이 회로에서 스위치가 닫히면 다이오드는 역-바이어스되어 전도되지 않습니다. 스위치가 열리면 인덕터 전체의 음의 공급 전압이 다이오드를 순방향{3}}바이어스하여 전류가 0인 정상 상태에 도달할 때까지 다이오드를 통해 전류를 전도하여 저장된 에너지를 소산합니다.
많은 응용 분야, 특히 각 I/O 카드에 여러 출력 채널이 있는 산업용 응용 분야의 경우 이 다이오드는 크기가 커서 비용과 설계 공간이 크게 늘어납니다.
최신 디지털 출력 장치는 능동 클램핑 회로를 사용하여 내부적으로 이 기능을 구현합니다. 예를 들어, ADI는 디지털 출력 장치가 인덕터의 제약 없이 부하를 안전하게 끌 수 있도록 하는 특허 받은 SafeDemag™ 기능을 사용합니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하여 웹사이트의 애플리케이션 노트에 접속하세요.
디지털 출력 장치를 선택할 때 몇 가지 중요한 요소를 고려해야 합니다. 데이터 시트의 다음 사양을 주의 깊게 검토하십시오.
● 최대 연속 전류 정격을 확인하고 더 높은 전류 드라이버를 달성하기 위해 필요할 때 여러 출력을 병렬로 연결할 수 있는지 확인하십시오.
● 출력 장치가 여러 개의 고전류-전류 채널(온도 범위 초과)을 구동할 수 있는지 확인합니다. 온저항, 공급 전류 및 열 저항 값이 가능한 한 낮은지 확인하려면 데이터 시트를 참조하세요.-
● 출력 전류 구동 정확도 사양도 중요합니다.
진단 정보는 범위를 벗어난-특정 작동 조건에서 복구하는 데 매우 중요합니다. 첫째, 각 출력 채널에 대한 진단 정보가 바람직하다. 여기에는 온도, 과전류, 개방-회로 및 단락-회로 감지가 포함됩니다. 칩- 수준의 관점에서 중요한 진단에는 열 차단, VDD 저전압 및 SPI 진단이 포함됩니다. 통합 디지털 출력 장치에서 이러한 진단 중 일부 또는 전부를 찾아보세요.
프로그래밍 가능한 디지털 입력/출력 장치
IC에 DI와 DO를 통합하면 구성 가능한 제품을 만들 수 있습니다. 이는 입력 또는 출력으로 구성할 수 있는 4채널 제품의 예입니다.
그림 7.4 채널 구현 솔루션을 위한 구성 가능한 DI/DO 제품
이 제품은 DIO 코어를 갖추고 있어 개별 채널을 DI(유형 1/3 또는 유형 2)로 구성하거나 하이-측 또는 푸시{4}}풀 모드의 디지털 출력으로 구성할 수 있습니다. DO의 전류 제한은 130mA에서 1.2A까지 설정할 수 있습니다. -자기소거 기능이 내장되어 있습니다. 유형 1/3과 유형 2 디지털 입력 간 전환에는 핀 구성만 필요하므로 외부 저항기가 필요하지 않습니다.
이러한 장치는 구성이 쉬울 뿐만 아니라 산업 환경에 충분히 견고합니다. 이는 높은 ESD 보호, 최대 60V의 전원 공급 장치 전압 보호 및 라인-대-접지 서지 보호로 해석됩니다.
이는 통합 접근 방식이 어떻게 더 큰 가능성(구성 가능한 DI/DO 모듈)을 열어줄 수 있는지 보여주는 예입니다.
결론
고밀도 디지털 입력 또는 출력 모듈을 설계할 때{0}}채널 밀도가 특정 임계값을 초과하면 개별 솔루션은 실용적이지 않게 됩니다. 통합 장치 옵션은 열 관리, 신뢰성 및 크기 고려 사항을 신중하게 평가해야 합니다.
통합 DI 또는 DO 장치를 선택할 때는 안정적인 작동 특성, 진단, 다중 입력{0}}출력 구성 지원 등 주요 데이터 포인트에 주의를 기울여야 합니다.