前言

隔離式數(shù)字輸入與數(shù)字隔離器，名稱(chēng)中均帶有“隔離”與“數(shù)字”關(guān)鍵詞，且核心均為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電氣隔離傳輸，但實(shí)際上二者存在很大差異。今天講透“隔離式數(shù)字輸入”和“數(shù)字隔離器”的核心區(qū)別，同時(shí)拆解納芯微工業(yè)級(jí)隔離式數(shù)字輸入芯片NSI8608，為工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景的隔離信號(hào)采集設(shè)計(jì)提供一站式、高集成度的解決方案。

一隔離式數(shù)字輸入≠數(shù)字隔離器

隔離式數(shù)字輸入，是一款面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集的集成器件，用于在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)側(cè)與主機(jī)控制器側(cè)之間實(shí)現(xiàn)完整電氣隔離，同時(shí)集成信號(hào)調(diào)理、電平轉(zhuǎn)換、閾值檢測(cè)、保護(hù)電路等全鏈路功能，是一套端到端的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集解決方案。

在傳統(tǒng)工業(yè)控制（如PLC）場(chǎng)景中，處理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)24V開(kāi)關(guān)量信號(hào)，傳統(tǒng)方案往往采用1顆光耦搭配7~8個(gè)阻容分立元件搭建單通道電路，8通道設(shè)計(jì)就需數(shù)十個(gè)外圍器件。這不僅大幅占用PCB面積，還易存在發(fā)熱嚴(yán)重、故障率高等問(wèn)題。而隔離式數(shù)字輸入芯片通過(guò)全集成架構(gòu)，將復(fù)雜的分立電路“化繁為簡(jiǎn)”，完美契合工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備小型化、高密度、高可靠的發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)字隔離器，則一般指用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路系統(tǒng)電氣隔離的通用型基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件。其核心作用是通過(guò)電容耦合、磁耦、光耦等隔離介質(zhì)，阻斷直流與低頻交流信號(hào)的直接傳導(dǎo)，同時(shí)無(wú)失真地傳輸高頻數(shù)字邏輯信號(hào)，僅承擔(dān)“隔離傳輸”的單一功能，不具備前端信號(hào)調(diào)理與電平適配能力。

二者核心差異對(duì)比如下：

二NSI8608：高集成隔離式數(shù)字輸入

1、8通道+高集成

了解器件的同時(shí)，選對(duì)適配場(chǎng)景的產(chǎn)品亦是關(guān)鍵。NSI8608是納芯微推出的8通道高集成隔離式數(shù)字輸入接收器，具有IEC 61131-2型的1、2和3類(lèi)特性。其將8通道數(shù)字輸入所需的電流限制、信號(hào)調(diào)理、電氣隔離、邏輯輸出等全功能集成于一顆SSOP20封裝之中。

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，這意味著：PCB面積縮減，I/O模版可實(shí)現(xiàn)更小體積、更高密度；BOM物料數(shù)量減少，整體采購(gòu)成本降低；設(shè)計(jì)周期縮短，無(wú)需反復(fù)調(diào)試分立元件的匹配，降低研發(fā)與調(diào)試難度。

功能框圖

2、核心技術(shù)與性能優(yōu)勢(shì)

從技術(shù)架構(gòu)來(lái)看，NSI8608的輸入級(jí)采用電流型輸入設(shè)計(jì)，可直接接收24V~60V寬范圍數(shù)字輸入信號(hào)，且無(wú)需額外的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)隔離電源，輸入側(cè)可直接從現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)取電，省去一路隔離電源設(shè)計(jì)，同步降低了系統(tǒng)成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜度。其采用納芯微成熟的電容隔離技術(shù)與自適應(yīng)OOK調(diào)制技術(shù)，通過(guò)二氧化硅隔離屏障傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：發(fā)射機(jī)以高頻載波表征一種數(shù)字狀態(tài)，無(wú)載波表征另一種數(shù)字狀態(tài)，接收機(jī)經(jīng)高級(jí)信號(hào)調(diào)理后完成信號(hào)解調(diào)，既實(shí)現(xiàn)了高抗擾、低延時(shí)的信號(hào)傳輸，也保障了隔離屏障的長(zhǎng)期使用壽命與可靠性。

從功能集成來(lái)看，NSI8608內(nèi)置全橋整流器（TI同類(lèi)競(jìng)品無(wú)）與限流功能（SiLabs同類(lèi)競(jìng)品無(wú)），前者使其支持雙向數(shù)字輸入，原生兼容源型輸入和漏型輸入兩種模式，無(wú)需額外硬件切換；后者內(nèi)置2.1mA（典型）精密限流功能，功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)分立方案，系統(tǒng)溫升顯著下降，適配高密度I/O模塊。

核心參數(shù)如下：

三典型應(yīng)用落地

PLC（可編程邏輯控制器）是隔離式數(shù)字輸入芯片最核心的應(yīng)用場(chǎng)景，NSI8608在PLC數(shù)字量輸入模塊設(shè)計(jì)中，展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案與同類(lèi)競(jìng)品的綜合優(yōu)勢(shì)：

無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)側(cè)電源，外部電路只需一個(gè)電阻，用于配置輸入側(cè)閾值電壓，易于設(shè)計(jì)和計(jì)算；

內(nèi)部集成整流橋，原生支持源型輸入和漏型輸入，方案尺寸更小，適應(yīng)PLC小型化趨勢(shì)；

內(nèi)部集成限流功能，降低整體系統(tǒng)功耗與發(fā)熱；

提供2Mbps的傳輸速率和380ns延時(shí)，接口速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光耦方案，適合電驅(qū)應(yīng)用中傳輸位置反饋等高速信號(hào)。

競(jìng)品對(duì)照與發(fā)熱實(shí)測(cè)

PLC方案發(fā)熱實(shí)測(cè)：

測(cè)試條件：在25℃環(huán)境下，以IEC 61131-2type-3分別設(shè)置外圍電路，進(jìn)行單通道30V DC時(shí)發(fā)熱測(cè)試（左圖為Si838x，右圖為NSI8608）：

測(cè)試結(jié)論：

Si838x無(wú)內(nèi)置限流設(shè)計(jì)，依賴(lài)外部限流電阻實(shí)現(xiàn)電流控制，測(cè)試中雖芯片自身發(fā)熱較小，但外部?jī)深w限流電阻的溫度最高可達(dá)38℃，若長(zhǎng)期高溫工作易導(dǎo)致電阻阻值漂移、老化失效，影響模塊長(zhǎng)期可靠性；

而NSI8608內(nèi)置集成限流方案，測(cè)試中芯片本體與外圍電阻的最高溫度僅約28℃，無(wú)論是整體溫升還是局部熱點(diǎn)控制，均優(yōu)于同類(lèi)競(jìng)品。

四

結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)4.0深度推進(jìn)的當(dāng)下，PLC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)設(shè)備都在向“小型化、高密度、高可靠”發(fā)展，隔離式數(shù)字輸入作為信號(hào)傳輸?shù)摹暗谝坏狸P(guān)卡”，其方案選型影響著設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、硬件成本與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

納芯微NSI8608具備8通道高集成、±60V寬適配、低功耗免現(xiàn)場(chǎng)側(cè)供電、高速低延時(shí)的核心優(yōu)勢(shì)，通過(guò)了UL1577、CQC、VDE等多重安全認(rèn)證，完全滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)嚴(yán)苛要求，不僅能解決傳統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)復(fù)雜、發(fā)熱嚴(yán)重、可靠性差等痛點(diǎn)，在性能與成本上也具備優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是新設(shè)計(jì)PLC數(shù)字輸入模塊，還是現(xiàn)有老產(chǎn)品升級(jí)，NSI8608都能實(shí)現(xiàn)“花更少的錢(qián)、用更短的時(shí)間、做更穩(wěn)定的產(chǎn)品”。