工業(yè)控制計算機輸出電路設(shè)計探析

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摘要：現(xiàn)今，工業(yè)控制計算機8路GPIO輸出電路每路的驅(qū)動電流只有10mA左右，不能滿足某些工控場所所需的大電流驅(qū)動的要求。研究了一種功率驅(qū)動電路來實現(xiàn)GPIO輸出高驅(qū)動電流，比一般GPIO輸出端提供的驅(qū)動電流大100倍左右，安全、可靠、穩(wěn)定，適用性相對較強，行業(yè)認可度也將更高。

關(guān)鍵詞：輸出電路；功率；驅(qū)動；電流

GPIO接口即通用輸入／輸出接口［1］，在工業(yè)領(lǐng)域經(jīng)常用于控制許多外部設(shè)備或者電路，且一般8路GPIO轉(zhuǎn)接卡即可滿足使用要求。然而，現(xiàn)在通用的工業(yè)控制計算機8路GPIO轉(zhuǎn)接卡每路的驅(qū)動電流只有10mA左右，不能滿足某些工控場所所需的大電流驅(qū)動的要求，因而亟需制作一種滿足此要求的GPIO轉(zhuǎn)接卡［2］。為滿足某些客戶對于輸出5V／8A這種大電流的技術(shù)要求，目前需要新設(shè)計一種8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，實現(xiàn)每路接客戶1A電流的LED燈。但由于一般的GPIO每路輸出驅(qū)動電流只有10mA左右，而本方案需要輸出每路1A的電流，因而需要對方案進行研究、驗證，使其滿足8路輸出、每路5V／1A的要求。

18路GPIO輸出電路實現(xiàn)原理

針對現(xiàn)有工業(yè)控制計算機8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，該8路GPIO轉(zhuǎn)接卡以其中一路為例進行詳細介紹［3］。首先經(jīng)由電子開關(guān)輸出8路GPIO信號，其中一路輸出信號OUTPUT0與R1、C1相連。R1一般使用10mA左右的驅(qū)動電流來驅(qū)動對應(yīng)的LED燈，這樣可以滿足許多工業(yè)計算機場合的使用要求［4－5］。但對于一些特定的工業(yè)場所需求比較大的驅(qū)動電流（比如每路5V／1A）時，現(xiàn)用的8路GPIO轉(zhuǎn)接卡則遠遠不能滿足要求，應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、持續(xù)長時間工作時，可能會引起電子開關(guān)過熱進而降低使用壽命的風險，且外接感性負載時，沒有鉗位保護電路來防止高壓對于電子開關(guān)的沖擊［6－7］。為滿足特定場合大電流驅(qū)動的使用要求，現(xiàn)制定了一種電路：經(jīng)功率驅(qū)動電路驅(qū)動后輸出的8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，來滿足大、小電流均可穩(wěn)定、可靠地驅(qū)動使用要求。現(xiàn)有具體方案設(shè)計電路如圖1所示：該驅(qū)動電路實質(zhì)上是一種低功率驅(qū)動的8路GPIO轉(zhuǎn)接卡，不能滿足某些特定場所對于較大驅(qū)動電流的需求，且持續(xù)長時間工作時，可能會帶來電子開關(guān)過熱進而降低使用壽命的風險。

28路GPIO輸出電路的設(shè)計與優(yōu)化

本技術(shù)方案不僅兼容現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計，而且提高產(chǎn)品測試的效率和質(zhì)量，提高測試的性能以及可靠性要求。解決了特定客戶提出的問題，提高了該產(chǎn)品的穩(wěn)定性能以及核心市場競爭力。本技術(shù)方案工業(yè)控制計算機8路GPIO驅(qū)動轉(zhuǎn)接卡主要是通過功率MOS驅(qū)動電路驅(qū)動來實現(xiàn)的。兼容本文現(xiàn)有技術(shù)，且設(shè)計更加可靠，應(yīng)用場景更加廣泛，在保證低功率驅(qū)動的情況下，也能穩(wěn)定、可靠地保證特定工控場所高驅(qū)動電流的需求。

2．1方案設(shè)計

方案原理如圖2所示：本方案設(shè)計由能夠驅(qū)動5V／8A的主板8路GPIO作為輸入接口，經(jīng)過功率驅(qū)動電路來實現(xiàn)8路輸出、每路5V／1A的要求。

2．28路GPIO輸出電路設(shè)計與優(yōu)化

此方案設(shè)計了一種由GPIO輸出信號經(jīng)過功率驅(qū)動MOS管Q1驅(qū)動產(chǎn)生每路1A的電流，具體設(shè)計方案如圖3所示：該方案主要包括功率驅(qū)動MOS管Q1、貼片三極管Q2、貼片二極管D1以及電阻R1、R2、R3。其中，R2的一端接GPIO輸出信號OUTPUT0，另一端與貼片三極管Q2的基極相連；R1的一端與VCC12以及貼片二極管D1的陰極相連，另一端與貼片三極管Q2的集電極以及功率驅(qū)動MOS管Q1的柵極相連。R3一端與LED信號LED1－相連，另一端與貼片二極管D1的陽極以及功率驅(qū)動MOS管Q1的漏極相連，功率驅(qū)動MOS管Q1的源極與Q2的發(fā)射極均接地。本方案主要利用功率驅(qū)動MOS管的驅(qū)動作用來實現(xiàn)1A左右的大驅(qū)動電流，較現(xiàn)有方案的驅(qū)動電流大100倍左右。本設(shè)計方案兼容本文現(xiàn)有技術(shù)方案，現(xiàn)有方案只能滿足低驅(qū)動電流的需求，而本文設(shè)計方案能穩(wěn)定、可靠地保證特定工控場所所需高、低驅(qū)動電流的需求，應(yīng)用場景也更加廣泛。在通電情況下，當GPIO輸出信號OUTPU0經(jīng)過R2且為高電平時，貼片三極管Q2導通，功率驅(qū)動MOS管Q1關(guān)斷，此時R3端的LED1－信號為高，此時外接LED燈不亮；當GPIO輸出信號OUTPU0經(jīng)過R2且為低電平時，貼片二極管Q2關(guān)斷，功率驅(qū)動MOS管Q1導通，此時LED1－信號電阻電阻R3且為低電平，此時外接1ALED燈變亮且亮度正常。功率MOS管Q1可以提供1A左右的驅(qū)動電流，比一般GPIO輸出端提供的驅(qū)動電流大100倍左右。該電路GPIO輸出信號控制1ALED燈亮滅的實現(xiàn)，主要是根據(jù)所選擇MOS管的功率驅(qū)動進行控制的。其中，貼片二極管D1主要是鉗位保護的作用，為了防止客戶接感性負載時，保護功率驅(qū)動MOS管Q1免于瞬斷時的高壓沖擊。本文單路功率驅(qū)動電路彌補了現(xiàn)有技術(shù)方案GPIO輸出無法提供高驅(qū)動電流的缺陷。與現(xiàn)有技術(shù)方案相比較，本文設(shè)計更加穩(wěn)定、可靠，提高產(chǎn)品測試的效率和質(zhì)量，應(yīng)用場景也更加廣泛。

3結(jié)束語

本技術(shù)方案設(shè)計方法是通過一種功率驅(qū)動電路來實現(xiàn)GPIO輸出高驅(qū)動電流，安全、可靠、穩(wěn)定，適用性也相對較強。

作者:程傳陽 王振發(fā) 單位:研祥智能科技股份有限公司 國家特種計算機工程技術(shù)研究中心