解決4-20mA現(xiàn)場儀器中的信號鏈電源難題

Albert O'Grady andMichael Jackson

數(shù)十年來，4-20mA和支持HART的現(xiàn)場儀表的可靠性和簡單性使其成為工業(yè)環(huán)境中的中流砥柱，這意味著它們不太可能很快從過程控制系統(tǒng)中消失。然而，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要意識到為這些器件中的信號鏈供電的挑戰(zhàn)，因?yàn)榭捎玫?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流有限。本博客探討了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器在此應(yīng)用中的相對優(yōu)點(diǎn)，并介紹了低功耗HART發(fā)射器的“即用型”設(shè)計(jì)。

線性穩(wěn)壓器

在傳統(tǒng)的4-20mA或HART支持現(xiàn)場儀表中，電流環(huán)路還必須能夠?yàn)樾盘栨溄M件供電。因此，電源管理并非易事，因?yàn)橹挥?.5 mA電流（“低報(bào)警”設(shè)置低于0 mA信號底限5.4 mA）可用于提供特性、功能和處理。

圖1顯示了由線性穩(wěn)壓器供電的典型現(xiàn)場供電儀器的信號鏈。穩(wěn)壓器輸出為傳感器和所有其他信號鏈組件供電。對于具有HART接口的設(shè)備，電源產(chǎn)生的噪聲是必不可少的考慮因素，因?yàn)樵搮f(xié)議規(guī)定了嚴(yán)格的性能規(guī)格，因此從這個(gè)角度來看，線性穩(wěn)壓器是首選。但是，使用這種方法，信號鏈中組件的可用功率限制為3V * 3.5 mA = 10.5 mW。

圖 1 使用線性穩(wěn)壓器為現(xiàn)場儀表信號鏈供電

低功耗HART變送器

圖2顯示了AD5700D2Z評估板的框圖，AD0D1Z是一款環(huán)路供電的發(fā)送器，為測量壓力（“5700”）和溫度（“5421”）的兩個(gè)共享數(shù)據(jù)通道提供HART通信。該板經(jīng)過HART通信基金會的測試、驗(yàn)證和注冊，是一款經(jīng)批準(zhǔn)的解決方案，內(nèi)置AD16 HART調(diào)制解調(diào)器，與AD4 20位串行輸入環(huán)路供電、360 mA至<> mA DAC和ADuCM<>微控制器接口。

圖2 回路供電的HART壓力和溫度變送器

AD5700的低功耗是本設(shè)計(jì)的基本特性。該器件的典型發(fā)射電流僅為 124 μA（最大值 140μA），接收電流為 86μA（最大值為 115 μA），因此對有限的電流預(yù)算沒有很高的要求。

使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器最大化可用功率

另一方面，對于必須最大化可用功率（但噪聲不太重要）的現(xiàn)場儀器，最好使用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器，如圖3所示。此處，所示降壓轉(zhuǎn)換器輸入端的可用功率也是10V * 3.5mA = 35mW。ADP2360是一款效率為86%的降壓穩(wěn)壓器，專為現(xiàn)場儀表而設(shè)計(jì)，可提供的輸出功率幾乎是線性穩(wěn)壓器（35mW x 86% = 30mW）的三倍。因此，在采用典型 10V 電源軌工作的儀器中，可提供超過 3mA 的電流為傳感器和其他信號鏈組件供電。

圖 3 使用 DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器為現(xiàn)場儀表信號鏈供電。

這種方法可為其他用途提供額外的電流，例如使用MAX326xx系列微控制器提供更高的處理能力，或者包括額外的功能安全、安保、診斷或其它特性。

雖然在4-20mA和HART支持現(xiàn)場儀表中為信號鏈組件供電的環(huán)路電流很小，但該博客表明，設(shè)計(jì)人員仍然可以選擇使用線性穩(wěn)壓器或DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器，具體取決于他們的要求。

審核編輯：郭婷