ADI三十周年產品精選之MAX22191工業數字輸入(DI)器件

一、簡介

MAX22191為符合IEC 61131-2標準的工業數字輸入(DI)器件，將24V工業數字輸入轉換為2.4mA(典型值)電流，用于驅動光隔離器。MAX22191的電壓門限和電流水平兼容1類和3類輸入，最大程度降低功耗。MAX22191也兼容48V輸入，需增加外部電阻。

工作電源取自輸入信號，現場側無需外部電源。250ns(最大值)快速響應時間是高速輸入的理想選擇。此外，提供CMOS兼容測試輸入，用于安全診斷。

MAX22191能夠在惡劣工業系統中可靠工作，在-60V至+60V輸入信號下正常工作。VCC供電時，集成熱關斷功能為器件提供進一步保護。

MAX22191采用小尺寸、6焊球、SOT23封裝，工作在-40°C至+125°C環境溫度范圍。

應用

· 流源出輸入

· 獨立的隔離輸入

· 工業自動化

· 電機控制

· 過程自動化

二、技術文章

數字輸入（DI）是一種電路，用于接收工業傳感器傳輸的二進制信號，并將該輸入轉換為可編程邏輯控制器（PLC）或工業控制器中可靠的邏輯信號。常見的工業二進制信號示例包括按鈕和/或溫度或接近閾值指示器。MAX22191 的寄生供電 DI 電路可以監控 PLC 和工業電路中類型 1 和類型 3 的 sinking 和 sourcing 二進制輸入信號。本應用筆記展示了使用 MAX22191 的電流 sinking、電流 sourcing、高壓和交流檢測數字輸入電路的示例。

數字輸入（DI）是一種電路，用于接收工業傳感器傳輸的二進制信號，并將該輸入轉換為可編程邏輯控制器（PLC）或工業控制器中可靠的邏輯信號。常見的工業二進制信號示例包括按鈕和/或溫度或接近閾值指示器。MAX22191 的寄生供電 DI 電路可以監控 PLC 和工業電路中類型 1 和類型 3 的 sinking 和 sourcing 二進制輸入信號。

數字輸入類型

IEC 61131-2 標準規定了工業應用中 sinking DI 電路的輸入閾值和電流要求，并定義了三種適用于工業應用的 DI 電路類型：

· 類型1：機電電路

· 類型2：離散、大電流、半導體電路

· 類型 3：集成式（低功耗）半導體電路

DI 類型之間的主要區別是電壓閾值和電流限制。此外，DI 電路通常用于兩種配置之一：正邏輯（ sinking 輸入和 sourcing 輸出）、負邏輯（ sourcing 輸入和 sinking 輸出）。IEC 61131-2 閾值對于 24V 和 48V（直流和交流） sinking 輸入在表 1 中所示。

隨著工廠車間傳感器密度的增加，需要更小封裝和更低功耗的數字輸入電路。如表所示，類型 2 DI 電路需要更多的功率，并且正在逐漸從現代工業設備中淘汰。

MAX22191 芯片設計用于支持類型 1（直流和交流）和類型 3（直流）輸入。

24V 直流吸地數字輸入

常見的 DI 電路是正邏輯電路，也稱為吸地輸入。在吸地輸入配置中，當源電壓為高電平時，DI 電路從源端吸收電流。圖 1 顯示了 MAX22191 在寄生供電吸地輸入配置中的情況。

圖 1。MAX22191 吸地 DI 電路。

當輸入電壓（IN 引腳）超過導通電壓閾值（10V，MAX22191 的最大值）時，MAX22191 檢測到導通狀態。然后輸出被啟用，并向負載提供 2.3mA（典型值）的電流。當輸入電壓低于 IN 電壓下閾值（7V，最小值）時，輸出電流降至 0mA，表示斷開狀態。使用圖 1 中的電路，VSOURCE = 24V，并使用繼電器脈沖電路的輸入，MAX22191 的 IN 引腳電壓和 OUT 電流如圖 2 所示。

圖 2. MAX22191 IN 和 OUT 信號在電流 sinking 電路中，CH1 = IN，CH3 = IOUT × 10Ω。

注意輸出源電流由 CH3 波形表示。通過將 CH3 波形除以 10Ω來計算輸出（OUT）源電流。

注意 D1 TVS 二極管用于在高電壓瞬態事件期間保護 MAX22191。在選擇 D1 二極管時，請確保其鉗位電壓低于輸入引腳的最大額定值（MAX22191 IN 引腳為+60V）。

24V DC 源型數字輸入

一個負邏輯 DI 電路具有電流 sourcing 輸入和電流 sinking 輸出。這種配置是一種電流 sourcing DI 電路。請注意，在使用電流 sourcing DI 電路時應特別小心，因為短路條件會導致輸出“導通狀態”。

圖 3 顯示了 MAX22191 在寄生供電電流源配置中。

圖 3. MAX22191 電流源電路。

在此配置中，MAX22191 的 IN 引腳連接到 24V 電源，傳感器或開關將 GND/返回端連接到信號源的 GND 端。只有當開關閉合且電流可以流到源的返回端時，該電路才處于 ON 狀態。相對于返回端的波形，與圖 2 中的波形相似。

使用 MAX22191 與狀態/指示 LED

MAX22191 可以寄生供電自身、一個光隔離器以及一個用于狀態信息的 外部 LED，使其成為可用的低功耗數字隔離解決方案。圖 4 顯示了一個帶有外部 LED 的電流吸收配置示例。

 圖 4. MAX22191 電流 sinking 電路與狀態/指示 LED。

當輸入電壓 (VIN) 超過輸入高閾值時，輸出源提供 2.3mA（典型值）電流，并提供足夠的電壓來驅動外部狀態 LED 和光隔離器。當輸入電壓低于輸入低閾值時，輸出電流被切斷，LED 因此關閉，光隔離器也關閉。

高壓和交流信號檢測

某些應用需要適合 sinking、 sourcing 和大交流輸入信號電壓的數字輸入。通過添加外部二極管橋和幾個電阻，MAX22191 可以用于滿足這些要求的系統。圖 5 顯示了 MAX22191 的高壓雙向信號檢測基本電路。

圖 5。MAX22191 的雙向高壓檢測電路。

兩個 1.5kΩ MELF 電阻和兩個 TVS 二極管 D1 和 D2 用于保護電路免受瞬態高壓/電流事件（如浪涌（IEC 61000-4-5）、電快速瞬變（EFT，IEC 61000-4-5）和靜電放電（ESD，IEC 61000-4-2））的侵害。確保 D1 和 D2 的鉗位電壓低于 DI 輸入引腳的最大額定值。

D3 二極管橋用于將輸入信號整流至 0V = V2 = VSOURCE。這些附加的二極管還增加了整體 DI 電路的灌/源電流，并略微增加了電路的總功耗。使用圖 4 中的電路，并以±24V VSOURCE 輸入，圖 6 顯示了開關期間的 IN 輸入電壓和 OUT 輸出源電流波形。圖 7 顯示了相同的波形，但使用的是±48V VSOURCE 電壓。

圖 6. MAX22191 雙向電路信號，輸入 ±24V 信號，CH2 = 端口輸入，CH1 = MAX22191 的 IN，CH3 = IOUT x 10Ω.

圖 7. MAX22191 雙向電路信號，輸入信號為±48V。
CH2 = 端口輸入，CH1 = MAX22191 的 IN，CH3 = IOUT x 10Ω

圖 5 中的電阻 R1 和 R2 在高電壓應用中保護 MAX22191，并且如果觸發電壓高于 10V，可以用來設置導通狀態觸發電壓。使用以下步驟計算所選閾值（VTH）的電阻值：

1. 當 V2 = VSOURCE = VTH 時，計算 V2 電壓，即 V2 = VSOURCE - [VDIODE + (1.5kΩ × IIN)]。

2. 計算 V1 = V2 - (1.5kΩ × IIN)。

3. 選擇 R2 在 100Ω 和 1kΩ 之間。

4. 計算 R1 = R2 × (V1/10 - 1)。

將 IIN 設置為 3.8mA 以進行雙向輸入計算。

例如，使用 ±110V 雙向輸入信號，假設觸發閾值已設置為 +60V。計算電阻分壓器的值如下：

1. V2 = 60V - (0.7V + 5.7V) = 53.6V

2. V? = 53.6V - 5.7V = 47.9V

3. R2 = 1kΩ 

4. R1 = 1kΩ × (47.9/10 - 1) = 3.79kΩ 

選擇合適的電阻尺寸和額定功率，以正常工作。

雖然在圖 5 中顯示了用于雙向輸入信號，但電阻分壓器也適用于單向輸入信號電路。單向電路的計算和功率考慮與這里所示相似，但輸入電流應設置為 2.4mA（IIN = 2.4mA）。

三、資料下載

1、白皮書

https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395791

2、可靠性數據

https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395792

3、應用筆記

https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395793

4、軟件開發資源

1、https://www.analog.com/cn/resources/evaluation-hardware-and-software/software/software-download?swpart=SFW0004100G

2、https://www.analog.com/media/en/simulation-models/ibis-models/max22191.ibs