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作者：Yuriy Kurtsevoy，戰略應用工程師；Stuart Smith，產(chǎn)品定義者。Maxim Integrated 引言 4~20mA電流環(huán)廣泛用作工業(yè)領(lǐng)域的模擬通信接口，可以方便地通過(guò)雙絞線(xiàn)將遠端傳感器數據傳送到控制中心的可編程邏輯控制器(PLC)。這種接口簡(jiǎn)單、可實(shí)現數據的長(cháng)距離可靠傳輸，具有良好的抗噪性，實(shí)施成本較低，非常適合長(cháng)期的工業(yè)過(guò)程控制以及遠端自動(dòng)監測。 毫無(wú)疑問(wèn)，工業(yè)發(fā)展和當今所有的電子應用一樣，需求強勁，要求精度更高、功耗更低，并在-40°C至+105°C擴展工業(yè)級溫度范圍內可靠工作，具備更高的安全性和系統保護，還要求支持高速可尋址遠端傳感器(HART)協(xié)議�？偠灾�，這些要求使得當今的4~20mA電流環(huán)設計頗具挑戰性。 本文介紹了如何開(kāi)發(fā)4~20mA電流環(huán)變送器并進(jìn)行性能分析，以及如何選擇滿(mǎn)足嚴苛工業(yè)要求的元器件。提供誤差分析測試數據、熱特征數據、原理圖以及分析軟件。 工作原理及關(guān)鍵設計參數 我們首先從參考設計入手，圖1所示為高性能、低功耗、4~20mA電流環(huán)變送器的方框圖，該設計大幅減少了元件數量，具有最高性?xún)r(jià)比。 
圖1：4~20mA環(huán)路供電變送器參考設計，由MAX5216 16位DAC (U1)、MAX9620運算放大器(U2)、MAX6133電壓基準(U3)和MAX15007 LDO (U4)組成。 該參考設計采用低功耗、高性能元件，25°C時(shí)精度優(yōu)于0.01%；整個(gè)溫度范圍內，精度優(yōu)于0.05%，支持工業(yè)上最嚴格的4~20mA電流環(huán)要求。該設計采用低功耗16位DAC(U1)；零失調、滿(mǎn)擺幅輸入輸出(RRIO)、高性能運算放大器(U2)；電壓基準(U3)；以及40V低靜態(tài)電流LDO(U4)。 U3電壓基準為U1提供低噪聲、5ppm/°C (最大值)低溫漂和高的2.500V電壓。智能傳感器微控制器通過(guò)3線(xiàn)SPI總線(xiàn)向U1發(fā)送命令。U1輸出經(jīng)過(guò)分壓并被Q1功率MOSFET、10? (±0.1%)檢流電阻(RSENSE)以及U2轉換為環(huán)路電流。U1、U2和U3器件由U4供電，后者由環(huán)路直接供電。限流電路由雙極型晶體管Q2和檢測電阻(R6)構成，這樣可將環(huán)路電流限制在大約30mA，防止失控條件以及損壞PLC側的ADC。肖特基二極管(D1)保護變送器不受反向電流損害。 性能分析 參考設計工作于低功耗，所選元件的最大耗流在+25°C時(shí)小于200?A；在-40°C至+105°C溫度范圍內小于300uA。U2運算放大器在時(shí)間和整個(gè)溫度范圍的輸入失調電壓為25uV(最大值)，理想用于高精度、高可靠性系統。10Ω檢流電阻允許使用較低的環(huán)路供電電壓；小電阻耗散功率較低，允許使用小封裝，從而進(jìn)一步減小變送器尺寸。例如，如果只有10? RSENSE和10Ω負載，其上最大壓降在30mA時(shí)為600mV。U4 LDO在提供3.3V輸出時(shí)只需連接4V電源電壓即可正常工作，最小環(huán)路電壓可低至5V。但是，如果PLC負載為250Ω，那么最小環(huán)路電源電壓必須為4V + 30mA × (10 + 250)Ω = 11.8V。 注意，為了更精確地估算最小環(huán)路供電電壓，還必須考慮環(huán)路電源內阻。 測試期間，輸出在10Ω時(shí)呈現出一定的噪聲。增大RSENSE電阻值將增大功耗和最小環(huán)路供電電壓，但也降低了環(huán)路噪聲。這種綜合平衡可由用戶(hù)控制。 U2運算放大器跟蹤R2和RSENSE上的壓降，在其兩個(gè)輸入節點(diǎn)維持0V。該電路滿(mǎn)足以下關(guān)系式：
式中： IOUT為環(huán)路電流； I(R2)為通過(guò)R2的電流； I(R1)為通過(guò)R1的電流； I(R3)為通過(guò)R3的電流。 式2中，我們假設U2的IN+和IN-輸入電流為0。按照式1和式2，4mA初始環(huán)路電流由I(R3)電流設置，而I(R1)為0。所以：
通過(guò)R3的電流等于U3電壓基準輸出除以R3。式3可重寫(xiě)為：
根據有關(guān)通過(guò)4~20mA電流環(huán)路發(fā)送故障信息的Namur NE43建議，測量信息的信號范圍為3.8mA至20.5mA，允許過(guò)程讀數發(fā)生略微的線(xiàn)性超量程。有些情況下，當定義了附加故障條件時(shí)，甚至會(huì )需要更大的動(dòng)態(tài)范圍，比如3.2mA至24mA。因此，選擇R2=24.9k，IOUT_INIT=3.2mA，從式4求解R3，得到：
1.945MΩ電阻成本較高，更重要的是，不太適合自動(dòng)化生產(chǎn)，也不利于現場(chǎng)校準。因此，更好的方法是采用標準的1%容限電阻，通過(guò)校準確保U1 DAC的4mA失調電流和20mA滿(mǎn)幅電流精度。這種情況下，需要校準部分數字編碼，以確保要求的精度。所以，I(R1)=VDAC/R1，其中VDAC為U1 DAC輸出電壓。上式重寫(xiě)為：
最后，式1可重寫(xiě)為：
誤差分析和性能優(yōu)化 +25°C下變送器誤差 表1所示為+25°C時(shí)4~20mA電流環(huán)路中的無(wú)源元件和VREF的誤差分析，數據基于式8。建議設計者利用數據表進(jìn)行結果分析，找到4mA、20mA及24mA IOUT的對應編碼。 表1：4~20mA電流環(huán)變送器誤差分析。
因此，如果R3電阻為1%容限的2MΩ標準電阻，將U1 DAC設置為2682十進(jìn)制碼，那么得到的初始環(huán)路電流為4.00015mA。注意，由于高分辨率U1 DAC校準消除了個(gè)體元件的誤差，計算得到的總誤差遠遠小于個(gè)體元件的容限。 4~20mA電流環(huán)變送器的有效位數(ENOB)計算如下：
根據表1中的數據，ENOB等于15.56位。所以，總分辨率誤差小于0.5位允許自動(dòng)校準，也可節省昂貴的精密元件數量。 表1所選電阻覆蓋了3.2mA至24.6mA電流環(huán)動(dòng)態(tài)范圍。R1、R2、R3和RSENSE的不同組合可縮小動(dòng)態(tài)范圍，應密切注意每個(gè)電阻的溫度系數(TC)。 變送器溫度漂移誤差分析 無(wú)源元件和VREF的溫度漂移誤差分析如表2所示。 表2：4~20mA電流環(huán)路發(fā)送器的溫度誤差分析。
利用下式計算最小和最大電阻偏移：
式中，TC為溫度系數，單位為ppm/°C；ΔT為總溫度范圍145°C。 從表2可知，當R1、R2、R3和RSENSE的溫度系數取以下值時(shí)，得到的誤差為0.05%FS。 R1 = 287kΩ ±0.1%，10ppm/°C R2 = 24.9kΩ ±0.1%，25ppm/°C R3 = 2MΩ ±1%，100ppm/°C RSENSE = 10? ±0.1%，10ppm/°C 注意，總誤差為每個(gè)誤差源的平方和的平方根：元件容限、元件溫度系數、測量值等。 如果智能傳感器的耗流超過(guò)3.4mA，則不能用于環(huán)路供電的2線(xiàn)變送器。例如，當微控制器或ADC的耗流超過(guò)3mA，或者檢測元件需要較高供電電流來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況。此時(shí)，額外的電流必須通過(guò)附加的第三根線(xiàn)�？筛倪M(jìn)這種配置(稱(chēng)為3線(xiàn)發(fā)送器)，如圖2所示，該設計使其成為通用的2線(xiàn)或3線(xiàn)智能傳感器變送器。
圖2：通用2線(xiàn)或3線(xiàn)智能變送器框圖。 圖2中的U5運算放大器和Q3緩沖器監測虛地，持續維持智能變送器的公共端，使其保持在U4輸出的恒定電壓。U5運算放大器必須能夠支持12V最大供電電壓，PLC RLOAD/檢測電阻值高達250Ω。C8和R8負反饋網(wǎng)絡(luò )穩定環(huán)路電流，以及確保正常預期條件下的穩定性。 選擇功率晶體管和保護元件 功率晶體管Q1無(wú)特殊要求，可以是MOSFET或雙極型功率晶體管，滿(mǎn)足最大安全、工作區要求即可。例如，如果環(huán)路電源為36V，最大限流為35mA，那么最大功耗要求為1.26W。要謹慎處理PCB的布局、走線(xiàn)寬度及散熱能力。 肖特基二極管(D1)(見(jiàn)圖1)為安全器件，防止反向電流損壞變送器。此外，可在LOOP+和LOOP-輸入之間增加一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器(D2，方框圖中未顯示)，防止過(guò)壓浪涌。D1和D2的要求取決于具體應用的安全規格。 設計方案測試 設計4~20mA環(huán)路供電變送器評估板(EV)MAX5216LPT，采用1000ft 22線(xiàn)規屏蔽通信電纜和249Ω±0.1%電阻進(jìn)行特征分析。利用Agilent HP3458A DVM測量負載電阻壓降，測得環(huán)路電流。MAX5216 DAC的特征數據繪制于圖3至圖8。
圖3：25°C下變送器誤差，MAX5216 DAC數據。
圖4：變送器誤差變化與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，環(huán)路電源12V。
圖5：變送器誤差變化與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，環(huán)路電源24V。
圖6：變送器誤差變化與溫度關(guān)系曲線(xiàn)，環(huán)路電源36V。
圖7：電流門(mén)限與環(huán)路電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，檢測電阻24.3Ω。
圖8：電流門(mén)限與溫度關(guān)系曲線(xiàn)，檢測電阻24.3Ω。 該變送器參考設計也支持HART協(xié)議，可以方便地連接HART調制解調器，例如DS8500(見(jiàn)圖11)。圖9和10所示為負載電阻等于249Ω時(shí)1000ft 4~20mA電流環(huán)上的HART信號。
圖9：4~20mA電流環(huán)上的HART通信。
圖10：兩個(gè)調制解調器之間的HART通信。
圖11：HART調制解調器連接框圖。 |
