自主控制解決方案
　　4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路是通過(guò)雙絞線電纜從遠(yuǎn)程傳感器到 PLC 進(jìn)行準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲗?dǎo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單、耐用、穩(wěn)健、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的長(zhǎng)距離可靠數(shù)據(jù)傳輸、良好的抗噪性和低實(shí)施成本，使該接口非常適合長(zhǎng)期工業(yè)過(guò)程控制和嘈雜環(huán)境中遠(yuǎn)程對(duì)象的自動(dòng)監(jiān)控。傳統(tǒng)上，出于前面列出的許多原因，電流環(huán)路的電源是通過(guò)線性穩(wěn)壓器提供的。與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，使用線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是效率相對(duì)較低且電流能力有限。效率低下可能會(huì)導(dǎo)致散熱問(wèn)題，并且有限的電流通常會(huì)妨礙添加所需的控制系統(tǒng)功能?！　⌒滦透咝省⒏咻斎腚妷航祲悍€(wěn)壓器功能強(qiáng)大且體積小巧，足以取代許多電流環(huán)路系統(tǒng)中的線性穩(wěn)壓器。與線性穩(wěn)壓器相比，降壓穩(wěn)壓器有很多優(yōu)點(diǎn)，包括更高的電流能力、更寬的輸入范圍和更高的系統(tǒng)效率。降壓穩(wěn)壓??器具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，在高開(kāi)關(guān)頻率下具有較短的最小 tON 時(shí)間，從而產(chǎn)生緊湊、穩(wěn)健的解決方案。

　　圖 1 所示的標(biāo)準(zhǔn) 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路可用于將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)儀表的傳感器信息和控制信號(hào)傳送到過(guò)程調(diào)制設(shè)備，例如閥門定位器或其他輸出執(zhí)行器。它由四個(gè)部分組成：
　　電流環(huán)電源：電源V DC電壓根據(jù)應(yīng)用而變化（9 V DC、12 V DC、24 V DC等），電勢(shì)至少比組合組件的壓降高 10%。電路（例如發(fā)射器、接收器和電線）。該 V DC由本地降壓穩(wěn)壓器利用，為傳感器和其他組件供電。
　　變送器：變送器的主要部件是傳感器或換能器。它將物理信號(hào)（例如溫度、壓力、電流、距離或磁場(chǎng)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如果轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是模擬電壓，則需要使用變送器中的電壓電流轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為 4 mA 至 20 mA 電流信號(hào)。對(duì)于智能數(shù)字輸出傳感器，DAC 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。發(fā)射器中的本地電源（LDO 或降壓調(diào)節(jié)器）為所有這些模擬、數(shù)字和參考電路供電。
　　接收器或監(jiān)視器：接收器將 4 mA 至 20 mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，可以進(jìn)一步處理和/或顯示。通過(guò)高精度分流電阻器R SHUNT和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓電平。在儀器終端中，本地降壓穩(wěn)壓器為接收器電路供電?！　? 線或 4 線環(huán)路：完整的電流環(huán)路可以延伸超過(guò) 2000 英尺，包括串聯(lián)的發(fā)射器、電源和接收器。在2線4mA至20mA電流環(huán)路中，電源與電流環(huán)路共享同一環(huán)路。

　　圖 1.  2 線電流環(huán)路圖。
　　例如，要使用遠(yuǎn)程壓力傳感器測(cè)量 0 psi 至 50 psi 的壓力，請(qǐng)將 4 mA 至 20 mA 電流接收器電路與壓力-電流傳感器串聯(lián)。在傳感器一側(cè)，當(dāng)壓力為 0 psi 時(shí)，讀數(shù)為 4 mA；當(dāng)壓力為 50 psi 時(shí)，讀數(shù)為 20 mA。在接收器一側(cè)，基爾霍夫第一定律告訴我們，在分流電阻器上會(huì)出現(xiàn)相同的電流，并在此處將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
　　工業(yè)、煉油廠、高速公路監(jiān)控和消費(fèi)應(yīng)用中的自主操作需要高性能傳感器技術(shù)和可靠、準(zhǔn)確的電流環(huán)路來(lái)傳遞傳感器信息。電流環(huán)路組件必須在 –40°C 至 +105°C 的擴(kuò)展工業(yè)范圍內(nèi)保持高精度、低功耗和可靠運(yùn)行，并具有所需的安全性和系統(tǒng)功能。
　　發(fā)射器（傳感器）側(cè)的源電壓在瞬態(tài)期間最高可達(dá) 65 V，必須將其轉(zhuǎn)換為 5 V 或 3.3 V。由于傳感器電路通常設(shè)計(jì)為直接從電流環(huán)路獲取功率（無(wú)需額外的、本地電源），通常限制為 3.5 mA。隨著發(fā)送器上添加更多功能和特性，當(dāng)使用無(wú)法提供任何額外電流的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器時(shí)，這種限制就成為一個(gè)問(wèn)題。此外，使用線性穩(wěn)壓器的系統(tǒng)中的大部分功率必須在穩(wěn)壓器本身中燃燒，從而在封裝系統(tǒng)中產(chǎn)生大量熱量。
　　LT8618 將輸入范圍擴(kuò)展至 65 V，并將負(fù)載能力擴(kuò)展至 15 mA。其高效率消除了電流環(huán)路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的熱約束，其中發(fā)射器被封裝并暴露在惡劣的環(huán)境變化中。提出了一種低成本濾波器來(lái)減少電壓紋波和電纜側(cè)電流紋波。本文分析了電源調(diào)節(jié)器的性能并提供了組件選擇指南以滿足嚴(yán)格的工業(yè)要求。提供效率、啟動(dòng)、紋波等測(cè)試數(shù)據(jù)。
　　使用具有擴(kuò)展輸入和負(fù)載范圍的降壓轉(zhuǎn)換器閉合電流環(huán)路
　　LT8618 是一款緊湊型降壓轉(zhuǎn)換器，具有許多功能，可滿足工業(yè)、汽車和其他不可預(yù)測(cè)電源環(huán)境的要求。它非常適合 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路應(yīng)用，具有超低靜態(tài)電流、高效率、寬輸入范圍、高達(dá) 65 V 和緊湊的尺寸。圖2顯示了一個(gè)完整的發(fā)送器電路解決方案，使用LT8618為MAX6192C高精度基準(zhǔn)、電壓-電流轉(zhuǎn)換和其他電路供電。
　　分流電路 2SC1623 處的電流與誤差放大器 (EA) 正輸入端施加的電壓成正比。 2.5 V 參考電壓由 MAX6192C 產(chǎn)生，該精密參考 IC 具有低噪聲、低壓差和 5 ppm/°C（最大值）的低溫漂移。對(duì)于具有與環(huán)境變量成比例的數(shù)字輸出的智能傳感器，DAC 可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并將其饋送到誤差放大器。
　　ISHUNT=
　　(VDC1+VREF)R12
　　R11RSENSE
　　(1)
　　因此，通過(guò) EA、BJT (2SC1623) 和 100 Ω (±0.1%) 檢測(cè)電阻 (RSENSE)，傳感器將電流環(huán)路中的電流從 4 mA 調(diào)制到 20 mA，其中 4 mA 代表活零20mA代表最大信號(hào)。即使現(xiàn)場(chǎng)變送器沒(méi)有過(guò)程信號(hào)輸出，4 mA 的實(shí)時(shí)或升高的零電流也可以為設(shè)備供電。因此，分流電路中的電流與環(huán)境變量成正比，例如壓力、溫度、液位、流量、濕度、輻射、pH 值或其他過(guò)程變量。　　兩條長(zhǎng)電線是承載信息的電流環(huán)路的一部分，也用于從接收器側(cè)的電源V DC向發(fā)送器供電。 V DC的最小電壓應(yīng)足以覆蓋導(dǎo)線、分流器上的壓降以及變送器的最小工作電壓。源電壓取決于應(yīng)用，通常為 12 V 或 24 V，但也可以高達(dá) 36 V。

　　圖 2. 使用 LT8618 作為直流電源的電流環(huán)路。
　　在遠(yuǎn)程發(fā)送器終端，肖特基二極管 (D1) 可保護(hù)發(fā)送器免受反向電流的影響。通過(guò)放置在輸入端的齊納二極管或 TVS (D2) 二極管提供進(jìn)一步的保護(hù)，以限制瞬態(tài)電壓浪涌，該電壓浪涌與電流環(huán)路的電感成正比。 LT8618 高效單片降壓穩(wěn)壓器將環(huán)路電壓降壓至 5.5V 或 3.3V，為基準(zhǔn)電壓源、DAC 和其他功能塊供電。
　　在圖 2 中，V DC和發(fā)射器之間的電線范圍可以從幾英尺到 2000 英尺。電流環(huán)路的雜散電感與降壓調(diào)節(jié)器的輸入電容器形成LC諧振回路。電源側(cè) (V DC ) 的瞬變也會(huì)出現(xiàn)在遠(yuǎn)程發(fā)射器的輸入側(cè)。對(duì)于最壞情況的無(wú)阻尼振蕩，峰值電壓可能是 VDC 的兩倍。例如，如果工作輸入電壓為 24 V（典型最大規(guī)格為 36 V），則發(fā)送器側(cè)的最大電壓有超過(guò) 65 V 的風(fēng)險(xiǎn)。可以在發(fā)送器前面使用 TVS 二極管 D2 來(lái)實(shí)現(xiàn)輕松保護(hù)。發(fā)送器限制瞬態(tài)期間的任何浪涌，如圖 2 所示。
　　或者，可以通過(guò)使用 LDO 穩(wěn)壓器保護(hù) LT8618 免受高壓偏移的影響來(lái)構(gòu)建高效系統(tǒng)。在這種拓?fù)渲?，LDO 穩(wěn)壓器將調(diào)節(jié)至輸入減去其壓差電壓，而 LT8618 則將該約 24 V 電壓高效地轉(zhuǎn)換為 5 V 或 3.3 V。 LDO 穩(wěn)壓器的電流限制應(yīng)設(shè)置為低于典型的 3.8 mA，同時(shí)保持高效率，并且 LT8618 的輸入電容器基本上同時(shí)充當(dāng)去耦電容器和存儲(chǔ)電容器。這將能夠?qū)崿F(xiàn)下游高負(fù)載的短脈沖串，而電流環(huán)路中的電流消耗極小甚至沒(méi)有。由于高壓偏移很短，通常攜帶很少的總能量，因此在這些瞬態(tài)期間 LDO 穩(wěn)壓器中產(chǎn)生的功率損耗不會(huì)影響整體效率；也就是說(shuō)，LDO 穩(wěn)壓器幾乎所有時(shí)間都處于高降壓比?！　〉湫偷碾娏鳝h(huán)路限制為整個(gè)遠(yuǎn)程發(fā)射器供電的電源電路的輸入電流，并且 LDO 穩(wěn)壓器的可用負(fù)載電流不能超過(guò)此輸入電流限制。另一方面，降壓調(diào)節(jié)器可以倍增提供給負(fù)載的輸入電流。圖 3 顯示了 LT8618 穩(wěn)壓器在 24 V 輸入至 5.5 V 轉(zhuǎn)換過(guò)程中的輸出電流與輸入電流的關(guān)系。對(duì)于 3.8 mA 的輸入電流限制，輸出電流幾乎為 15 mA。這種額外的能力通過(guò)增加操作空間和啟用附加功能塊來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。

　　圖 3. 輸出電流與輸入電流，V IN = 24 V，V OUT = 5.5 V。
　　突發(fā)模式操作提高了小負(fù)載時(shí)的效率
　　LDO 穩(wěn)壓器的效率與降壓比 (V OUT /V IN ) 成正比，并且當(dāng)輸入電壓略高于輸出電壓時(shí)可以保持高效。問(wèn)題出現(xiàn)在高降壓比時(shí)，效率非常低，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力。例如，輸入電壓為 55 V、輸出電壓為 3.3 V 時(shí)，LDO 穩(wěn)壓器的功率損耗為 0.19 W，負(fù)載電流為 3.8 mA。相比之下，正確設(shè)計(jì)的降壓穩(wěn)壓器在高降壓比下可以非常高效。此外，通過(guò)用 MOSFET 取代續(xù)流二極管，同步降壓穩(wěn)壓器可以比異步穩(wěn)壓器提高效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)是優(yōu)化整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率，特別是在 3 mA 至 15 mA 的輕負(fù)載下，此時(shí)輸入電壓可能高達(dá) 65 V。
　　對(duì)于典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器，三種功率損耗占主導(dǎo)地位：開(kāi)關(guān)損耗、柵極驅(qū)動(dòng)損耗以及與轉(zhuǎn)換器 IC 控制器邏輯電路相關(guān)的損耗。如果降低開(kāi)關(guān)頻率，則可以顯著降低開(kāi)關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗，因此只需以低頻運(yùn)行轉(zhuǎn)換器即可減少輕負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)和柵極損耗。
　　在輕負(fù)載時(shí)，邏輯電路的偏置損耗與相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)相關(guān)損耗相當(dāng)。偏置電路通常由輸出供電，僅在啟動(dòng)和其他瞬態(tài)條件下通過(guò)內(nèi)部 LDO 穩(wěn)壓器從輸入獲取電源。
　　在輕負(fù)載時(shí)，LT8618 通過(guò)在突發(fā)模式下工作來(lái)解決邏輯電路損耗問(wèn)題，在突發(fā)模式下，電流以短脈沖傳送至輸出電容器，然后是相對(duì)較長(zhǎng)的休眠期，此時(shí)大多數(shù)邏輯控制電路都被關(guān)閉?！　榱诉M(jìn)一步提高輕負(fù)載時(shí)的效率，優(yōu)選使用較大值的電感器，因?yàn)樵诙涕_(kāi)關(guān)脈沖期間可以將更多能量傳遞到輸出，并且降壓調(diào)節(jié)器可以在這些脈沖之間保持更長(zhǎng)時(shí)間的睡眠模式。通過(guò)最大限度地延長(zhǎng)脈沖之間的時(shí)間并最大限度地減少每個(gè)短脈沖的開(kāi)關(guān)損耗，LT8618 的靜態(tài)電流可低于 2.5μA，同時(shí)保持輸出在高達(dá) 60V 的輸入電壓下保持穩(wěn)定。由于許多發(fā)送器電路大部分時(shí)間都消耗低電流與消耗數(shù)十或數(shù)百 ?A 的典型降壓型器件相比，這種低靜態(tài)電流可顯著節(jié)省能源。

　　圖 4 顯示了圖 2 所示電流環(huán)路解決方案的效率，其中 5.5 VOUT 輸出軌連接至 LT8618 的 BIAS 引腳。在 100 mA 滿負(fù)載、28 V 輸入和 82 ?H 電感器下，峰值效率達(dá)到 87%。對(duì)于相同的 28 V 輸入，10 mA 負(fù)載效率達(dá)到或超過(guò) 77% 可以說(shuō)更令人印象深刻。
　　圖 4.  LT8618 在輕負(fù)載時(shí)具有高效率，V IN = 28 V，V OUT = 5.5 V，L = 82 ?H。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　輸入濾波器可限制浪涌電流和電流環(huán)路紋波
　　功率調(diào)節(jié)器的輸入連接到電流環(huán)路，因此除了穩(wěn)態(tài)電流限制之外，限制啟動(dòng)或負(fù)載瞬變期間的紋波電流和浪涌電流也很重要。電源轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間的浪涌電流取決于給定軟啟動(dòng)時(shí)間的輸入和輸出電容器的大小。這就是權(quán)衡：最小化輸入電容器以防止大的浪涌電流，同時(shí)使其足夠大以保持可接受的低紋波。
　　降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流是脈沖的；因此，輸入電容器在為紋波電流提供濾波路徑方面起著關(guān)鍵作用。如果沒(méi)有這個(gè)電容器，大量紋波電流將流過(guò)長(zhǎng)電流環(huán)路，導(dǎo)致降壓器表現(xiàn)不可預(yù)測(cè)。因此，最小的輸入電容滿足紋波電流和紋波電壓的要求。多層陶瓷電容器 (MLCC) 由于 ESR 和 ESL 較低，因此在紋波電流方面具有最佳性能。
　　當(dāng)轉(zhuǎn)換器在突發(fā)模式下工作時(shí)，電感電流遵循三角波形。電流環(huán)路的阻抗遠(yuǎn)高于輸入濾波器。因此，輸入電容器上的紋波電壓可以通過(guò)以下公式估算，忽略電容器的 ESR 和 ESL，其中 IPEAK 是降壓電感器中的突發(fā)電流，VR 是輸入電容器上的紋波電壓（顯然是更大的電容）需要更高的突發(fā)電流）：
　　C=I2PEAKL2VRVIN(2)　　為了最大限度地減少輸入電壓紋波，同時(shí)保持輸入電容盡可能小，我們更喜歡較小的降壓電感。盡管如此，大電感器的突發(fā)模式效率會(huì)更好。對(duì)于 82 ?H 電感和 1 V 紋波，為了避免在任何最小輸入情況下觸發(fā) UVLO，對(duì)于使用 LT8618 的該應(yīng)用來(lái)說(shuō)，100 nF 輸入電容器就足夠了。
　　大部分紋波電流通過(guò)本地去耦電容器，剩余部分與電流環(huán)路共享相同的路徑。保持電纜側(cè)的電流紋波較小非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)以電壓紋波的形式出現(xiàn)在分流檢測(cè)電阻器上，并且電壓紋波的幅度需要小于讀取分流器兩端電壓的 ADC 的分辨率規(guī)格檢測(cè)電阻。通過(guò)附加濾波器可以進(jìn)一步降低電流紋波。 RC 濾波器是一種很好的設(shè)計(jì)權(quán)衡，因?yàn)檩斎腚娏骱苄。遗c LC 濾波器相比成本較低。通過(guò)兩級(jí)或三級(jí) RC 濾波器級(jí)聯(lián)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更小的紋波電流。
　　LTspice 仿真使我們能夠比較三種不同輸入濾波器結(jié)構(gòu)（輸入路徑中串聯(lián)總電阻為 100 Ω）的源電纜側(cè)的電流紋波，使用 V IN = 28 V 和 V OUT = 5.5 V的 LT8618 ，和一個(gè) 82 ?H 電感器。電流脈沖相當(dāng)于輸入濾波器將 LT8618 穩(wěn)壓器視為 10 mA 輸出電流的輸入電流。　　100 Ω 和 100 nF 的單級(jí) RC 濾波器在源電纜側(cè)的電流紋波峰峰值超過(guò) 60 A。隨著更多電容的增加或?yàn)V波級(jí)的級(jí)聯(lián)，源電纜側(cè)的紋波電流變得更小。鑒于降壓穩(wěn)壓器在使用更大的直接輸入電容器時(shí)性能更好，并且 2 級(jí) RC 濾波器的 BOM 比 3 級(jí)濾波器更小，同時(shí)在源電纜側(cè)提供類似的電流紋波，我們建議使用 2- 級(jí)濾波器。每級(jí) 50 Ω 和 47 nF 的級(jí)濾波器。源電纜側(cè)紋波電流約為 30 μA，相應(yīng)地，它會(huì)在 250 Ω 分流電阻上產(chǎn)生約 7.5 mV 的紋波電壓，這對(duì)于 8 位分辨率 ADC 來(lái)說(shuō)幾乎足夠了。為了進(jìn)一步減少電纜側(cè)紋波電流，可以在濾波器中使用更大的電容。例如，如果將 47 nF 電容替換為 100 nF 電容，則電纜側(cè)紋波電流可降至僅 7 A，對(duì)應(yīng)于 1.75 mV 的紋波電壓。

　　圖 5. 電流環(huán)路源側(cè)的電流紋波。圖片由博多電力系統(tǒng)提供　　在典型的電流環(huán)路應(yīng)用中，客戶會(huì)在啟動(dòng)期間指定電流限制（例如 3.2 mA），但在指定的短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)超過(guò)該限制。在降壓轉(zhuǎn)換器中，高浪涌電流通常會(huì)對(duì)輸入電容器充電。輸入濾波器的功能有兩個(gè)：除了限制電纜源側(cè)的紋波電流外，它還有助于限制啟動(dòng)浪涌電流。圖 6 顯示了 2 級(jí)輸入濾波器啟動(dòng)期間輸入電流隨時(shí)間變化的情況，輸入 V IN為 24 V，輸出側(cè)負(fù)載電流為 4 mA。

　　圖 6. 使用輸入濾波器限制浪涌電流的啟動(dòng)電流（從頂部開(kāi)始：輸入電壓 20 V/格，輸出電壓 5 V/格，啟用，電纜側(cè)輸入電流，10 mA/格）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供