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本文介紹如何使用 LT8618（一款 100 mA 高速同步單片式降壓型開(kāi)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(jì)緊湊型電源。評(píng)估其性能，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(dòng)和紋波測(cè)試數(shù)據(jù)。
自主控制在工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中越來(lái)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)路是控制環(huán)路中無(wú)處不在的組件，它們雙向工作：它們將測(cè)量值從傳感器傳輸?shù)娇?u>編程邏輯控制器（PLC），相反，將控制輸出從PLC傳輸?shù)竭^(guò)程調(diào)制設(shè)備。
自主控制解決方案
4 mA至20 mA電流環(huán)路是主要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)雙絞線電纜從遠(yuǎn)程傳感器到PLC進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)單、長(zhǎng)壽命、魯棒性、久經(jīng)考驗(yàn)的可靠長(zhǎng)距離數(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)程控制和在嘈雜環(huán)境中自動(dòng)監(jiān)控遠(yuǎn)程物體。傳統(tǒng)上，由于前面列出的許多原因，電流環(huán)路的功率通過(guò)線性穩(wěn)壓器提供。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。效率低下會(huì)導(dǎo)致散熱問(wèn)題，有限的電流通常無(wú)法添加所需的控制系統(tǒng)功能。
新型高效率、高輸入電壓降壓型穩(wěn)壓器堅(jiān)固耐用，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，降壓轉(zhuǎn)換器具有許多優(yōu)勢(shì)，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)頻率下具有較低的最小 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)儀表和控制信號(hào)的傳感器信息傳送到過(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)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%。此 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(hào)（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，則需要發(fā)射器的一部分的電壓-電流轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA的電流信號(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 或降壓穩(wěn)壓器）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)，可進(jìn)一步處理和/或顯示。將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為使用電壓電平是通過(guò)高精度分流電阻R分流和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集電路。在儀器終端中，本地降壓穩(wěn)壓器為接收器電路供電。
2 線或 4 線回路：完整的電流回路電路可以延伸超過(guò) 2000 英尺，包括串聯(lián)連接的發(fā)射器、電源和接收器。在2線4 mA至20 mA電流環(huán)路中，電源與電流環(huán)路共享相同的環(huán)路。
圖 1.2線電流環(huán)路示意圖。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］
例如，要使用遠(yuǎn)程壓力傳感器測(cè)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 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。在接收器側(cè)，Kirchhoff第一定律告訴我們，分流電阻器上會(huì)出現(xiàn)相同的電流，在那里它被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
工業(yè)、煉油廠、公路監(jiān)控和消費(fèi)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(lái)傳輸傳感器信息。電流環(huán)路的元件必須在 –40°C 至 +105°C 擴(kuò)展的工業(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。
在瞬變期間，變送器（傳感器）側(cè)的源電壓最高可達(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（無(wú)需額外的本地電源）獲取功率，因此通常限制為3.5 mA。隨著發(fā)射器上添加更多功能和特性，當(dāng)使用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器時(shí)，這種限制成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)線性穩(wěn)壓器無(wú)法提供任何額外的電流。此外，使用線性穩(wěn)壓器的系統(tǒng)中的大多數(shù)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，其中變送器被封裝并暴露在惡劣的環(huán)境變化中。建議采用低成本濾波器來(lái)降低電壓紋波和電纜側(cè)電流紋波。本文分析了功率調(diào)節(jié)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(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)換器關(guān)閉電流環(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(cè)的電源環(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所示為使用LT8618為MAX6192C高精度基準(zhǔn)供電、電壓-電流轉(zhuǎn)換和其他電路的完整發(fā)送器電路解決方案。
分流電路2SC1623處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，MAX6192C是一款精密基準(zhǔn)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。
?。跧_{SHUNT}=frac{（V_{DC1}+V_{REF}）R_{12}}{R_{11}R_{SENSE}}，，，（1）］
因此，使用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表示帶電零點(diǎn)，20 mA表示最大信號(hào)。4 mA的帶電或高零點(diǎn)允許設(shè)備供電，即使現(xiàn)場(chǎng)變送器沒(méi)有過(guò)程信號(hào)輸出。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(guò)程變量。
兩根長(zhǎng)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，則接收器側(cè)的電源。V的最小電壓直流應(yīng)足以覆蓋導(dǎo)線、分流器兩端的壓降和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，但最高可達(dá)36 V。
圖 2. 以LT8618作為直流電源的電流環(huán)路。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］
在遠(yuǎn)程發(fā)射器端子上，肖特基二極管（D1）保護(hù)發(fā)射器免受反向電流的影響。進(jìn)一步的保護(hù)由放置在輸入端的齊納或TVS （D2）二極管提供，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。環(huán)路電壓由 LT8618 高效單片降壓穩(wěn)壓器降壓至 5.5 V 或 3.3 V，為基準(zhǔn)電壓源、DAC 和其他功能模塊供電。
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。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諧振槽。電源側(cè)的瞬變 （V直流） 也出現(xiàn)在遠(yuǎn)程發(fā)射器的輸入端。對(duì)于最壞情況下的無(wú)阻尼振蕩，峰值電壓可以使VDC的峰值電壓增加一倍。例如，如果工作輸入電壓為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(guò)65 V的風(fēng)險(xiǎn)。
或者，也可以通過(guò)利用 LDO 穩(wěn)壓器保護(hù) LT8618 免受高電壓偏移的影響來(lái)構(gòu)建高效的系統(tǒng)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，LDO穩(wěn)壓器將調(diào)節(jié)到輸入減去其壓差電壓，LT8618以高效率將~24 V轉(zhuǎn)換為5 V或3.3 V。LDO穩(wěn)壓器的電流限值應(yīng)設(shè)置為低于典型的3.8 mA，同時(shí)保持高效率，LT8618的輸入電容器基本上也可用作去耦和儲(chǔ)能電容器。這將在下游實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的高負(fù)載突發(fā)，電流環(huán)路中的電流消耗最小或沒(méi)有電流消耗。由于高壓偏移很短，通常承載的總能量很少，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(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。
典型的電流環(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，來(lái)自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，降壓穩(wěn)壓器可以乘以提供給負(fù)載的輸入電流。圖3顯示了LT8618穩(wěn)壓器的輸出電流與輸入電流的關(guān)系，用于24 V輸入至5.5 V轉(zhuǎn)換。對(duì)于3.8 mA的輸入電流限制，輸出電流幾乎為15 mA。這種額外的功率通過(guò)增加操作余量和啟用額外的功能塊來(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的關(guān)系，V在= 24 V， V外= 5.5 V. 圖片由Bodo的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］
突發(fā)模式操作提高了在纖巧負(fù)載條件下的效率
LDO穩(wěn)壓器的效率與降壓比（V外/五在），當(dāng)輸入電壓略高于輸出時(shí)，可以有效。在效率非常低的高降壓比下，問(wèn)題就出現(xiàn)了，從而對(duì)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(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，設(shè)計(jì)合理的降壓穩(wěn)壓器在高降壓比下可以非常高效。此外，同步降壓型穩(wěn)壓器可通過(guò)用?MOSFET?取代笆禾二極管來(lái)提高效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器的挑戰(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，當(dāng)輸入可高達(dá)65 V時(shí)。
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。如果開(kāi)關(guān)頻率降低，開(kāi)關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗可以顯著降低，因此只需以低頻運(yùn)行轉(zhuǎn)換器，即可降低輕負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗和柵極損耗。
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)壓器從輸入獲取功率。
在輕負(fù)載條件下，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，其中電流以短脈沖形式傳遞到輸出電容器，然后是相對(duì)較長(zhǎng)的休眠周期，其中大多數(shù)邏輯控制電路被關(guān)斷。
為了進(jìn)一步提高輕負(fù)載時(shí)的效率，最好使用更大值的電感器，因?yàn)樵诙涕_(kāi)關(guān)脈沖期間，可以向輸出提供更多的能量，并且降壓穩(wěn)壓器可以在這些脈沖之間保持更長(zhǎng)時(shí)間的休眠模式。通過(guò)最大限度地延長(zhǎng)脈沖之間的時(shí)間并最小化每個(gè)短脈沖的開(kāi)關(guān)損耗，LT8618的靜態(tài)電流可以小于2.5 μA，同時(shí)在高達(dá)60 V的輸入下保持輸出調(diào)節(jié)。由于許多發(fā)送器電路大部分時(shí)間都消耗低電流，因此與典型的降壓（功耗為數(shù)十或數(shù)百μA）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輸出軌連接到LT8618的BIAS引腳。在100 mA滿載時(shí)，峰值效率達(dá)到87%，輸入為28 V，電感為82 μH。對(duì)于相同的28 V輸入，10 mA負(fù)載效率等于或高于77%，可以說(shuō)更令人印象深刻。
圖 4.LT8618 在輕負(fù)載、V 條件下的高效率在= 28 V， V外= 5.5 V， L = 82 μH. 使用的圖像由Bodo的電力系統(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)電流限制外，在啟動(dòng)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(dòng)期間的浪涌電流取決于給定軟啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)輸入和輸出電容器的大小。這就是權(quán)衡：最小化輸入電容以防止大浪涌電流，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)有該電容，大量的紋波電流將流過(guò)長(zhǎng)電流環(huán)路，導(dǎo)致降壓表現(xiàn)不可預(yù)測(cè)。因此，最小輸入電容滿足紋波電流和紋波電壓要求。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)換器在突發(fā)模式下工作時(shí)，電感電流遵循一個(gè)三角形波形。電流環(huán)路的阻抗遠(yuǎn)高于輸入濾波器。因此，輸入電容器兩端的紋波電壓可以通過(guò)以下公式估計(jì)，忽略電容器的ESR和ESL，其中IPEAK是降壓電感中的突發(fā)電流，VR是輸入電容器兩端的紋波電壓（顯然，更高的突發(fā)電流需要更大的電容）：
?。跜=frac{I^{2}_{PEAK}L}{2V_{R}V_{IN}}，，，（2）］
為了最大限度地降低輸入電壓紋波，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。然而，使用大電感器時(shí)，突發(fā)模式效率更好。對(duì)于82 μH電感和1 V紋波，為避免在任何最小輸入實(shí)例下觸發(fā)UVLO，100 nF輸入電容足以滿足使用LT8618的此應(yīng)用。
大部分紋波電流通過(guò)局部去耦電容，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)樗鼘⒆鳛殡妷杭y波出現(xiàn)在分流檢測(cè)電阻的兩端，并且電壓紋波的大小需要小于讀取分流檢測(cè)電阻兩端電壓的ADC的分辨率規(guī)格。電流紋波可以通過(guò)額外的濾波器進(jìn)一步降低。RC濾波器是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)權(quán)衡，因?yàn)檩斎腚娏骱苄?，而且與LC濾波器相比成本較低。通過(guò)兩級(jí)或三級(jí)聯(lián)的RC濾波器可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更小的紋波電流。
LTspice?仿真允許我們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，輸入路徑中串聯(lián)的總電阻為100 Ω，使用V型LT8618在= 28 V 和 V外= 5.5 V，82 μH電感。電流脈沖相當(dāng)于輸入濾波器在10 mA輸出電流下看到的LT8618穩(wěn)壓器的輸入電流。
具有100 Ω和100 nF的單級(jí)RC濾波器在源電纜側(cè)的峰峰值紋波超過(guò)60 μA。源電纜側(cè)的紋波電流隨著電容的增加或?yàn)V波級(jí)的級(jí)聯(lián)而變小。鑒于降壓穩(wěn)壓器在使用較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)提供相似的電流紋波，因此我們建議使用每級(jí)50 Ω和47 nF的2級(jí)濾波器。源電纜側(cè)紋波電流約為30 μA，相應(yīng)地，它在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，如果用100 nF電容代替47 nF電容，則電纜側(cè)紋波電流可以降至僅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。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］
在典型的電流環(huán)路應(yīng)用中，客戶會(huì)在啟動(dòng)期間指定一個(gè)電流限制（例如3.2 mA），但可能超過(guò)此限制的指定短時(shí)間除外。在降壓轉(zhuǎn)換器中，通常會(huì)產(chǎn)生高浪涌電流來(lái)對(duì)輸入電容器進(jìn)行充電。輸入濾波器的功能有兩個(gè)方面：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顯示了使用2級(jí)輸入濾波器的啟動(dòng)行為期間輸入電流隨時(shí)間變化的變化，輸入V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(dòng)電流以限制浪涌電流（從頂部：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）。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］
電流環(huán)路的關(guān)鍵要點(diǎn)
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(shí)通過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的電線。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(guò)改善電流環(huán)路中的電源，特別是用高效降壓穩(wěn)壓器取代傳統(tǒng)上使用的線性穩(wěn)壓器，可以顯著提高效率和性能，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(shí)間短，因此可以生產(chǎn)出緊湊的整體解決方案，其尺寸和穩(wěn)健性可與LDO穩(wěn)壓器解決方案相媲美。本文介紹了如何在4 mA至20 mA電流環(huán)路變送器中使用LT8618，以滿足嚴(yán)格的工業(yè)要求。
