作者：Zhongming Ye and Juan-G. Aranda

本文介紹如何使用LT8618（100 mA高速同步單芯片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器（而不是LDO穩(wěn)壓器）為電流環(huán)路發(fā)送器設(shè)計緊湊型電源。對其性能進(jìn)行評估，并選擇滿足嚴(yán)格工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所需的組件。提供效率、啟動和紋波測試數(shù)據(jù)。

介紹

自主控制在工業(yè)和消費應(yīng)用中越來越普遍，但即使是尖端的自主解決方案也依賴于一種古老的技術(shù)：電流環(huán)路。電流環(huán)路是雙向工作控制環(huán)路中無處不在的組件：它們將測量值從傳感器傳輸?shù)娇?a target="_blank">編程邏輯控制器（PLC），反過來將PLC的控制輸出傳送到過程調(diào)制設(shè)備。

4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路是通過雙絞線電纜將數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)程傳感器精確可靠地傳輸?shù)?PLC 的主要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 簡單、長壽命、堅固性、久經(jīng)考驗的可靠長距離數(shù)據(jù)傳輸、良好的抗噪性和低實施成本使該接口非常適合長期工業(yè)過程控制和嘈雜環(huán)境中遠(yuǎn)程對象的自動監(jiān)控。傳統(tǒng)上，電流環(huán)路的電源通過線性穩(wěn)壓器提供，原因有很多。與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，使用線性穩(wěn)壓器的缺點是效率相對低下且電流能力有限。效率低下會導(dǎo)致散熱問題，而有限的電流通常會妨礙添加所需的控制系統(tǒng)功能。

新型高效率、高輸入電壓降壓穩(wěn)壓器堅固耐用且體積小，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)壓器具有許多優(yōu)勢，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，其最小值較低上在高開關(guān)頻率下的時間，產(chǎn)生緊湊、堅固的解決方案。

背景

圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)20 mA至1 mA電流環(huán)路可用于將現(xiàn)場儀表的傳感器信息和控制信號傳輸?shù)竭^程調(diào)制設(shè)備，例如閥門定位器或其他輸出執(zhí)行器。它由四個組件組成：

電流回路電源：電源V直流電壓變化（9 V直流， 12 V直流， 24 V直流等）根據(jù)應(yīng)用的不同，電位至少比電路中組合元件（例如發(fā)射器、接收器和電線）的壓降高 10%。這個V直流由本地降壓穩(wěn)壓器分接，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（如溫度、壓力、電流、距離或磁場）轉(zhuǎn)換為電信號。如果轉(zhuǎn)換后的信號是模擬電壓，則需要作為變送器一部分的電壓-電流轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA電流信號。對于智能數(shù)字輸出傳感器，DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號。發(fā)射器中的本地電源（LDO或降壓穩(wěn)壓器）為所有這些模擬、數(shù)字和基準(zhǔn)電路供電。

接收器或監(jiān)視器：接收器將4 mA至20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，可以進(jìn)一步處理和/或顯示。電流信號通過高精度分流電阻器R轉(zhuǎn)換為有用的電壓電平分流和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集電路。在儀器端子中，本地降壓穩(wěn)壓器為接收器電路供電。

2 線或 4 線環(huán)路：完整的電流環(huán)路可以延伸超過 2000 英尺，由串聯(lián)的發(fā)射器、電源和接收器組成。在2線4 mA至20 mA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)路示意圖。

例如，要使用遠(yuǎn)程壓力傳感器測量 0 psi 至 50 psi 的壓力，4 mA 至 20 mA 電流接收器電路與壓力-電流傳感器串聯(lián)。在傳感器側(cè)，當(dāng)壓力為 4 psi 時，讀數(shù)為 0 mA，當(dāng)壓力為 20 psi 時，讀數(shù)為 50 mA。在接收器側(cè)，基爾霍夫第一定律告訴我們，分流電阻器上出現(xiàn)相同的電流，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號。

工業(yè)、煉油廠、高速公路監(jiān)控和消費類應(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)路來傳輸傳感器信息。電流環(huán)路的組件必須在–40°C至+105°C的擴(kuò)展工業(yè)范圍內(nèi)保持高精度、低功耗和可靠的工作，并具有所需的安全性和系統(tǒng)特性。

在瞬態(tài)期間，發(fā)射器（傳感器）側(cè)的源電壓最高可達(dá)65 V，必須轉(zhuǎn)換為5 V或3.3 V。由于傳感器電路通常設(shè)計為直接從電流環(huán)路獲取功率（無需額外的本地電源），因此通常限制為3.5 mA。隨著變送器上增加更多的功能和特性，當(dāng)使用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器時，這個限制成為一個問題，因為傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器無法提供任何額外的電流。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)計的熱約束，在電流環(huán)路系統(tǒng)設(shè)計中，變送器被封裝并暴露在惡劣的環(huán)境變化中。該文提出一種低成本濾波器來降低電壓紋波和電纜側(cè)電流紋波。本文分析了功率穩(wěn)壓器的性能，并提供了滿足嚴(yán)格工業(yè)要求的元件選擇指南。提供效率、啟動、紋波等測試數(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

LT?8618 是一款緊湊型降壓型轉(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）和緊湊尺寸。圖2所示為使用LT8618為MAX6192C高精度基準(zhǔn)、電壓-電流轉(zhuǎn)換和其他電路供電的完整發(fā)送器電路解決方案。

分流電路2SC1623上的電流與施加在誤差放大器（EA）正輸入端的電壓成正比。2.5 V基準(zhǔn)電壓由MAX6192C產(chǎn)生，MAX5C是一款精密基準(zhǔn)IC，具有低噪聲、低壓差和<> ppm/°C （最大值）的低溫度漂移。對于具有與環(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)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并將其饋送到誤差放大器。

因此，對于EA、BJT （2SC1623）和100 Ω （±0.1%） 檢測電阻 （R意義），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 表示帶電零點，20 mA 表示最大信號。4 mA 的帶電或高位零點允許器件即使在現(xiàn)場變送器沒有輸出過程信號的情況下也能供電。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或其他過程變量。

兩根長線是信息承載電流環(huán)路的一部分，也用于從V向變送器供電直流，接收器側(cè)的電源。V的最小電壓直流應(yīng)足以覆蓋導(dǎo)線、分流器和變送器的最低工作電壓。源電壓取決于應(yīng)用，通常為12 V或24 V，但可高達(dá)36 V。

在遠(yuǎn)程變送器端子上，肖特基二極管（D1）保護(hù)變送器免受反向電流的影響。輸入端的齊納二極管或TVS （D2）二極管可提供進(jìn)一步的保護(hù)，以限制瞬態(tài)電壓浪涌，瞬態(tài)電壓浪涌與電流環(huán)路的電感成正比。LT8618高效單芯片降壓穩(wěn)壓器將環(huán)路電壓降壓至5.5 V或3.3 V，為基準(zhǔn)電壓源、DAC和其他功能塊供電。

在圖2中，V之間的導(dǎo)線直流發(fā)射器的范圍可以從幾英尺到 2000 英尺不等。電流環(huán)路的雜散電感與降壓穩(wěn)壓器的輸入電容形成LC諧振電路。電源側(cè)瞬態(tài) （V直流） 也出現(xiàn)在遠(yuǎn)程發(fā)射器的輸入側(cè)。對于最壞情況下的無阻尼振蕩，峰值電壓可以是V電壓的兩倍直流.例如，如果工作輸入電壓典型值為24 V，最大規(guī)格為36 V，則發(fā)射器側(cè)的最大電壓有超過65 V的風(fēng)險。

圖2.采用LT8618作為直流電源的電流環(huán)路。

或者，可以通過使用LDO穩(wěn)壓器保護(hù)LT8618免受高壓偏移的影響來構(gòu)建高效的系統(tǒng)。在這種拓?fù)渲校琇DO穩(wěn)壓器將調(diào)節(jié)至輸入端減去其壓差，LT8618將其~24 V轉(zhuǎn)換為5 V或3.3 V，效率高。LDO穩(wěn)壓器的電流限值應(yīng)設(shè)置為低于典型值3.8 mA，同時保持高效率，LT8618的輸入電容基本上兼作去耦電容和儲能電容。這將允許下游高負(fù)載的短脈沖，而電流環(huán)路中的電流消耗最小或沒有。由于高壓偏移時間短，通常攜帶的總能量很少，因此在這些瞬變期間LDO穩(wěn)壓器中產(chǎn)生的功率損耗不會損害整體效率;也就是說，LDO穩(wěn)壓器幾乎所有時間都處于高降壓比。

典型的電流環(huán)路對為整個遠(yuǎn)程發(fā)射器供電的電源電路的輸入電流施加限制，并且來自LDO穩(wěn)壓器的可用負(fù)載電流不能超過此輸入電流限制。另一方面，降壓穩(wěn)壓器可以將提供給負(fù)載的輸入電流成倍增加。圖3顯示了LT8618穩(wěn)壓器在24 V輸入至5.5 V轉(zhuǎn)換時的輸出電流與輸入電流的關(guān)系。對于3.8 mA的輸入電流限制，輸出電流幾乎為15 mA。這種額外的功率通過增加操作余量和啟用額外的功能塊來簡化系統(tǒng)設(shè)計人員的工作。

圖3.輸出電流與輸入電流的關(guān)系，V在= 24 V， V外= 5.5 V.

突發(fā)模式操作可提高微小負(fù)載下的效率

LDO穩(wěn)壓器的效率與降壓比（V外/V在），并且當(dāng)輸入電壓略高于輸出電壓時可以提高效率。問題出現(xiàn)在高降壓比下，效率非常低，對系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力。例如，輸入為55 V，輸出為3.3 V時，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，設(shè)計合理的降壓穩(wěn)壓器在高降壓比下可能非常高效。此外，同步降壓穩(wěn)壓器可以通過用MOSFET代替箝位二極管來提高非同步穩(wěn)壓器的效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器面臨的挑戰(zhàn)是優(yōu)化整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率，特別是在3 mA至15 mA輕負(fù)載下，當(dāng)輸入可能高達(dá)65 V時。

對于典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器，三種功率損耗占主導(dǎo)地位：開關(guān)損耗、柵極驅(qū)動損耗以及與轉(zhuǎn)換器IC控制器邏輯電路相關(guān)的損耗。如果開關(guān)頻率降低，開關(guān)和柵極驅(qū)動損耗可以顯著降低，因此只需在低頻下運行轉(zhuǎn)換器即可降低輕負(fù)載時的開關(guān)和柵極損耗。

在輕負(fù)載下，邏輯電路的偏置損耗與相對較低的開關(guān)相關(guān)損耗相當(dāng)。偏置電路通常由輸出供電，僅在啟動和其他瞬態(tài)條件下通過內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器從輸入端獲取電源。

在輕負(fù)載條件下，LT8618 通過在突發(fā)模式下工作來解決邏輯電路損耗問題，在突發(fā)模式下，電流以短脈沖形式輸送到輸出電容器，然后是相對較長的休眠期，其中大多數(shù)邏輯控制電路都關(guān)斷。?

為了進(jìn)一步提高輕負(fù)載下的效率，首選更大值的電感器，因為在短開關(guān)脈沖期間可以向輸出輸送更多能量，并且降壓穩(wěn)壓器可以在這些脈沖之間保持更長時間的睡眠模式。通過最大限度地延長脈沖之間的時間，并最大限度地降低每個短脈沖的開關(guān)損耗，LT8618的靜態(tài)電流可以小于2.5 μA，同時保持輸出在高達(dá)60 V的輸入調(diào)節(jié)狀態(tài)。由于許多發(fā)送器電路大部分時間都消耗低電流，因此這種低靜態(tài)電流比典型的降壓電路要節(jié)能得多，后者消耗數(shù)十或數(shù)百μA。

圖4顯示了圖2所示電流環(huán)路解決方案的效率，電壓為5.5 V外輸出軌連接到LT8618的偏置引腳。在全87 mA負(fù)載、100 V輸入和28 μH電感下，峰值效率達(dá)到82%。對于相同的10 V輸入，77 mA負(fù)載效率等于或高于28%，可以說更令人印象深刻。

圖4.LT8618 輕負(fù)載時的高效率，V在= 28 V， V外= 5.5 V， L = 82 μH.

用于限制浪涌電流和電流環(huán)路紋波的輸入濾波器

功率穩(wěn)壓器的輸入連接到電流環(huán)路，因此除了穩(wěn)態(tài)電流限制外，在啟動或負(fù)載瞬變期間限制紋波電流和浪涌電流也很重要。電源轉(zhuǎn)換器啟動期間的浪涌電流取決于給定軟啟動時間內(nèi)輸入和輸出電容器的大小。這是權(quán)衡：最小化輸入電容以防止大浪涌電流，同時使其足夠大以保持可接受的低紋波。

降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流為脈沖;因此，輸入電容在為紋波電流提供濾波路徑方面起著關(guān)鍵作用。如果沒有該電容，大量的紋波電流將流過長電流環(huán)路，導(dǎo)致降壓轉(zhuǎn)換器的行為不可預(yù)測。因此，有一個滿足紋波電流和紋波電壓要求的最小輸入電容。多層陶瓷電容器（MLCC）由于其低ESR和ESL，在紋波電流方面具有最佳性能。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在突發(fā)模式時，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，輸入電容兩端的紋波電壓可以通過以下公式估算，忽略電容的ESR和ESL，其中I峰是降壓電感中的突發(fā)電流，VR是輸入電容兩端的紋波電壓（顯然，更高的突發(fā)電流需要更大的電容）：

為了最大限度地降低輸入電壓紋波，同時保持盡可能小的輸入電容，我們更喜歡較小的降壓電感。然而，使用大電感時，突發(fā)模式效率更好。對于82 μH電感和1 V紋波，為了避免在任何最小輸入實例觸發(fā)UVLO，使用LT100的8618 nF輸入電容足以滿足此應(yīng)用的需求。

大部分紋波電流通過本地去耦電容，殘余部分與電流環(huán)路共享相同的路徑。保持電纜側(cè)的電流紋波很小非常重要，因為它會在分流檢測電阻上顯示為電壓紋波，并且電壓紋波的大小需要小于ADC讀取分流檢測電阻兩端電壓的分辨率規(guī)格。電流紋波可以通過額外的濾波器進(jìn)一步降低。RC濾波器是一個很好的設(shè)計折衷方案，因為輸入電流很小，而且與LC濾波器相比成本較低。使用RC濾波器的兩個或三個級聯(lián)級可以進(jìn)一步實現(xiàn)較小的紋波電流。

LTspice仿真允許我們使用LT100和V來比較三種不同輸入濾波器結(jié)構(gòu)的源電纜側(cè)的電流紋波，輸入路徑中的總電阻串聯(lián)為8618 Ω?在= 28 V 和 V外= 5.5 V，電感為82 μH。電流脈沖相當(dāng)于輸入濾波器在8618 mA輸出電流下將輸入電流視為LT10穩(wěn)壓器的輸入電流。

具有100 Ω和100 nF的單級RC濾波器在源電纜側(cè)的峰峰值電流紋波超過60 μA。源極電纜側(cè)的紋波電流隨著電容的增加或濾波級級的級聯(lián)而變小。鑒于降壓穩(wěn)壓器在較大的直接輸入電容下性能更好，并且2級RC濾波器的BOM比3級RC濾波器小，同時在源電纜側(cè)提供相似的電流紋波，我們建議使用每級2 Ω和50 nF的47級濾波器。源電纜側(cè)紋波電流約為30 μA，相應(yīng)地，它在7 Ω分流電阻上產(chǎn)生約5.250 mV紋波電壓，這幾乎足以滿足8位分辨率ADC的需求。為了進(jìn)一步降低電纜側(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 μA，相當(dāng)于1.75 mV的紋波電壓。

圖5.電流環(huán)路源側(cè)的電流紋波。

在典型的電流環(huán)路應(yīng)用中，客戶將在啟動期間指定電流限制（例如3.2 mA），但可能超過此限制的指定短時間內(nèi)除外。在降壓轉(zhuǎn)換器中，通常使用高浪涌電流對輸入電容進(jìn)行充電。輸入濾波器的功能是雙重的：除了限制電纜源側(cè)的紋波電流外，它還有助于限制啟動浪涌電流。圖6顯示了輸入V在2級輸入濾波器啟動行為期間輸入電流隨時間的變化在24 V，輸出側(cè)負(fù)載電流為4 mA。

圖6.帶輸入濾波器的啟動電流，用于限制浪涌電流（從頂部開始：輸入電壓 20 V/div，輸出電壓 5 V/div，使能，電纜側(cè)輸入電流，10 mA/div）。

結(jié)論

電流環(huán)路廣泛用于工業(yè)和汽車系統(tǒng)，以收集信息并將其從傳感器傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，有時通過相對較長的導(dǎo)線。相反，環(huán)路將控制器輸出和調(diào)制指令傳輸?shù)竭h(yuǎn)程執(zhí)行器和其他設(shè)備。通過改進(jìn)電流環(huán)路中的電源，特別是用高效降壓穩(wěn)壓器取代傳統(tǒng)使用的線性穩(wěn)壓器，可以實現(xiàn)顯著的效率和性能改進(jìn)，這也增加了電流能力并擴(kuò)大了輸入范圍。高效率、高輸入電壓穩(wěn)壓器采用微型封裝，最小導(dǎo)通時間短，可以生產(chǎn)緊湊的整體解決方案，其尺寸和魯棒性可與LDO穩(wěn)壓器解決方案相媲美。本文介紹了如何在8618 mA至4 mA電流環(huán)路變送器中使用LT20，以滿足嚴(yán)格的工業(yè)要求。

審核編輯：郭婷