模擬4~20ma電流輸出的設(shè)計(jì)

1. 原理

4 ~ 20ma 電流輸出的目的不用多說，今天就簡(jiǎn)單聊一下 4 ~ 20ma 電流輸出是怎么設(shè)計(jì)出來的，并介紹一種國(guó)產(chǎn)集成芯片解決方案。

一般用分離器件搭建的實(shí)現(xiàn)原理都是通過單片機(jī)控制一個(gè)三極管，使其工作在放大區(qū)，因?yàn)榉糯髤^(qū)放大并不是線性的，因此需要在串接一個(gè)電阻，通過檢測(cè)電阻電壓，單片機(jī)來反饋調(diào)節(jié)三極管的輸入，然后從而實(shí)現(xiàn) 4~20ma 電流輸出。

今天我們介紹通過 GP8102S 芯片來實(shí)現(xiàn) 4 ~ 20ma 電流輸出設(shè)計(jì)，還有另外一款芯片 GP8212S，兩者區(qū)別是一個(gè)是 pwm 轉(zhuǎn) 4 ~ 20ma 電流輸出，另外一個(gè)是 I2C 轉(zhuǎn) 4~20ma 電流輸出，同時(shí)精度略有區(qū)別，本文主要講解 GP8102S 芯片。

GP8102S

它的實(shí)現(xiàn)原理通過控制 PWM 的占空比，控制三極管工作在放大區(qū)，在三極管上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，通過 VFB 反饋給芯片內(nèi)部，從而控制輸出，調(diào)節(jié)三極管。這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原理，下面我們看一下具體的設(shè)計(jì)。

2. 使用 GP8102S 或 GP8212S 進(jìn)行設(shè)計(jì)

和平時(shí)我們使用 GPIO 輸出有兩種模式開漏和推完類似，4~20ma 電流輸出分為共地型和共源型，其主要表現(xiàn)為通信的電由哪一方提供。

2.1 共地型設(shè)計(jì)

共地型設(shè)計(jì)

LM321 的作用是生成反饋電壓，輸入到 IOUT2，來調(diào)節(jié) IOUT 的輸出。對(duì)于 GP8102S 中，Rs 一般采用 250Ω，GP8212S 中，Rs 一般采用 100Ω。

相對(duì)采用 1M 的電阻，下面這種設(shè)計(jì)方案能夠提高更高的精度。

提高精度

說明：

1. 是 0/4-20mA 輸出（共地型三線制）， Q1 選擇 TO252/SOT223 等封裝的 NPN，作為功率管承受 4-20mA 所產(chǎn)生發(fā)熱。
2. Rs 的精度至關(guān)重要，建議采用 0.1%精度，同時(shí)因?yàn)槠湟鬟^ 4-20mA 電流，因此要根據(jù)功率選擇合理的封裝。

2.2 共源型設(shè)計(jì)

共源型設(shè)計(jì)

說明：

1. 0/4-20mA 輸出（共源型三線制），MOS 管選擇 TO252/SOT223 等封裝的 NMOS， 作為功率管承受 4-20mA 所產(chǎn)生發(fā)熱 。
2. 同樣 Rs 的精度至關(guān)重要，建議采用 0.1%精度，同時(shí)因?yàn)槠湟鬟^ 4-20mA 電流，因此要根據(jù)功率選擇合理的封裝。
3. 對(duì)于這種電是由外部提供的端口處，一定要添加一個(gè) TVS 來保護(hù)芯片。

2.3 其它電流需求

有的時(shí)候我們可能因?yàn)樵O(shè)備特殊 0/4-20mA 輸出滿足不了需求，可能需要 4-35mA 輸出，這里提供一種思路。

根據(jù)電流輸出公式 IOUT=5V * DPWM /Rs(DPWM 為 PWM 信號(hào)的占空比) 可知，IOUT 輸出的上線跟電阻 Rs 有一定的關(guān)系，因此通過減小 Rs 電阻，可以提高 IOUT 輸出范圍。但是一定要考慮好三極管的選型，完美配合才能出現(xiàn)最佳效果，當(dāng)然對(duì)于我們平時(shí)來講，不需要把范圍設(shè)計(jì)過大，因?yàn)檫^大的范圍會(huì)降低輸出的精度。

3. 隔離光耦電源連接方案

有的時(shí)候我們?cè)O(shè)計(jì)需要隔離，可以采用下面方法，在選擇光耦的時(shí)候，頻率的選擇要格外注意。

在隔離應(yīng)用中光耦電源有兩種接法：

1. V5V 為光耦電源；
2. V5V 經(jīng)過 NPN 管 9013 后作為電源。 前者電路簡(jiǎn)單，后者光耦引入誤差小 .

隔離方案

下面是一個(gè)完整的隔離方案：

1. 利用 APC 芯片 GP9303 將模擬信號(hào) 4-20mA 轉(zhuǎn)換成 PWM。
2. PWM 信號(hào)通過光耦隔離 。 TLP1488 為低速光耦，適合應(yīng)用在 PWM 頻率低于 500Hz 的場(chǎng)合， TLP1788 為高速光耦，適合應(yīng)用在 PWM 頻率低于 25Khz 的場(chǎng)合。
3. 隔離后的 PWM 信號(hào)送給 PAC 芯片 GP8102S 后還原成電流輸出。

完整隔離方案

4. 利用 GP8102S 實(shí)現(xiàn) 0-40V 的可編程電壓輸出

GP8102S 除了能實(shí)現(xiàn)模擬電流的輸出，其實(shí)還可以實(shí)現(xiàn)模擬電壓的輸出，如下就是一個(gè) PWM 控制的線性穩(wěn)壓方案：

基于 GP8102S+2SD882 ，利用 GP8102S 與外接擴(kuò)流三極管實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，輸出電壓為 VOUT。VOUT=5V _ DPWM _ (R1+R2)/R2， DPWM 為 PWM 信號(hào)的占空比，通過此電路可以實(shí)現(xiàn) 0-40V 的可編程電壓輸出 。

可編程電壓源