如何在4 mA至20 mA电流环路变送器中使用LT8618
本文介绍如何使用 LT8618（一款 100 mA 高速同步单片式降压型开关稳压器）而不是 LDO 稳压器，为电流环路发送器设计紧凑型电源。评估其性能，并选择满足严格工业标准所需的组件。提供效率、启动和纹波测试数据。
自主控制在工业和消费类应用中越来越普遍，但即使是尖端的自主解决方案也依赖于一种古老的技术：电流环路。电流环路是控制环路中无处不在的组件，它们双向工作：它们将测量值从传感器传输到可编程逻辑控制器（PLC），相反，将控制输出从PLC传输到过程调制设备。
自主控制解决方案
4 mA至20 mA电流环路是主要行业标准，通过双绞线电缆从远程传感器到PLC进行准确可靠的数据传输，简单、长寿命、鲁棒性、久经考验的可靠长距离数据传输、良好的抗噪性和低实施成本使该接口非常适合长期工业过程控制和在嘈杂环境中自动监控远程物体。传统上，由于前面列出的许多原因，电流环路的功率通过线性稳压器提供。与开关稳压器相比，使用线性稳压器的缺点是效率相对较低且电流能力有限。效率低下会导致散热问题，有限的电流通常无法添加所需的控制系统功能。
新型高效率、高输入电压降压型稳压器坚固耐用，体积小巧，足以取代许多电流环路系统中的线性稳压器。与线性稳压器相比，降压转换器具有许多优势，包括更高的电流能力、更宽的输入范围和更高的系统效率。降压稳压器具有显著的性能优势，在高开关频率下具有较低的最小 tON 时间，从而产生紧凑、稳健的解决方案。
图1所示的标准4 mA至20 mA电流环路可用于将来自现场仪表和控制信号的传感器信息传送到过程调制设备，例如阀门定位器或其他输出执行器。它由四个组件组成：
电流回路电源：电源V直流电压变化 （9 V直流， 12 V直流， 24 V直流等）根据应用的不同，电位至少比电路中组合元件（例如，发射器、接收器和电线）的压降高10%。此 V直流由本地降压稳压器分接，为传感器和其他组件供电。
变送器：变送器的主要部件是传感器或换能器。它将物理信号（如温度、压力、电流、距离或磁场）转换为电信号。如果转换后的信号是模拟电压，则需要发射器的一部分的电压-电流转换器将其转换为4 mA至20 mA的电流信号。对于智能数字输出传感器，DAC将数字信号转换回模拟信号。发射器中的本地电源（LDO 或降压稳压器）为所有这些模拟、数字和参考电路供电。
接收器或监视器：接收器将 4 mA 至 20 mA 电流信号转换为电压信号，可进一步处理和/或显示。将电流信号转换为使用电压电平是通过高精度分流电阻R分流和/或模数转换器或数据采集电路。在仪器终端中，本地降压稳压器为接收器电路供电。
2 线或 4 线回路：完整的电流回路电路可以延伸超过 2000 英尺，包括串联连接的发射器、电源和接收器。在2线4 mA至20 mA电流环路中，电源与电流环路共享相同的环路。
图 1.2线电流环路示意图。图片由博多的电力系统提供 ［PDF］
例如，要使用远程压力传感器测量0 psi至50 psi的压力，4 mA至20 mA电流接收器电路与压力-电流传感器串联。在传感器侧，当压力为 0 psi 时，读数为 4 mA，当压力为 50 psi 时，读数为 20 mA。在接收器侧，Kirchhoff第一定律告诉我们，分流电阻器上会出现相同的电流，在那里它被转换为电压信号。
工业、炼油厂、公路监控和消费类应用中的自主操作需要高性能传感器技术和可靠、准确的电流环路来传输传感器信息。电流环路的元件必须在 –40°C 至 +105°C 扩展的工业范围内保持高精度、低功耗和可靠运行，并具有所需的安全性和系统功能。
在瞬变期间，变送器（传感器）侧的源电压最高可达65 V，必须将其转换为5 V或3.3 V。由于传感器电路通常设计为直接从电流环路（无需额外的本地电源）获取功率，因此通常限制为3.5 mA。随着发射器上添加更多功能和特性，当使用传统的线性稳压器时，这种限制成为一个问题，因为传统线性稳压器无法提供任何额外的电流。此外，使用线性稳压器的系统中的大多数功率必须在稳压器本身中燃烧，从而在封装系统中产生大量热量。
LT8618将输入范围扩展至65 V，并将负载能力扩展至15 mA。其高效率消除了电流环路系统设计中的热约束，其中变送器被封装并暴露在恶劣的环境变化中。建议采用低成本滤波器来降低电压纹波和电缆侧电流纹波。本文分析了功率调节器的性能，并提供了满足严格工业要求的元件选择指南。提供效率、启动、纹波等测试数据。
使用具有扩展输入和负载范围的降压转换器关闭电流环路
LT®8618 是一款紧凑型降压型转换器，具有许多功能，可满足工业、汽车和其他不可预测的电源环境的要求。它非常适合4 mA至20 mA电流环路应用，具有超低静态电流、高效率、宽输入范围、高达65 V和紧凑的尺寸。图2所示为使用LT8618为MAX6192C高精度基准供电、电压-电流转换和其他电路的完整发送器电路解决方案。
分流电路2SC1623处的电流与施加在误差放大器（EA）正输入端的电压成正比。2.5 V基准电压由MAX6192C产生，MAX6192C是一款精密基准IC，具有低噪声、低压差和5 ppm/°C（最大值）的低温漂移。对于具有与环境变量成比例的数字输出的智能传感器，DAC可以将数字信号转换为模拟信号，并将其馈送到误差放大器。
［I_{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%）检测电阻（RSENSE），传感器将电流环路中的电流从4 mA调制到20 mA，其中4 mA表示带电零点，20 mA表示最大信号。4 mA的带电或高零点允许设备供电，即使现场变送器没有过程信号输出。因此，分流电路中的电流与环境变量成正比，例如压力、温度、液位、流量、湿度、辐射、pH 或其他过程变量。
两根长线是信息承载电流环路的一部分，也用于从V向变送器供电直流，则接收器侧的电源。V的最小电压直流应足以覆盖导线、分流器两端的压降和变送器的最小工作电压。源电压取决于应用，通常为12 V或24 V，但最高可达36 V。
图 2. 以LT8618作为直流电源的电流环路。图片由博多的电力系统提供［PDF］
在远程发射器端子上，肖特基二极管（D1）保护发射器免受反向电流的影响。进一步的保护由放置在输入端的齐纳或TVS （D2）二极管提供，以限制瞬态电压浪涌，瞬态电压浪涌与电流环路的电感成正比。环路电压由 LT8618 高效单片降压稳压器降压至 5.5 V 或 3.3 V，为基准电压源、DAC 和其他功能模块供电。
在图2中，V之间的导线直流发射器的范围可以从几英尺到2000英尺。电流环路的杂散电感与降压稳压器的输入电容形成LC谐振槽。电源侧的瞬变（V直流） 也出现在远程发射器的输入端。对于最坏情况下的无阻尼振荡，峰值电压可以使VDC的峰值电压增加一倍。例如，如果工作输入电压为24 V，最大规格为36 V，则发射器侧的最大电压有超过65 V的风险。
或者，也可以通过利用 LDO 稳压器保护 LT8618 免受高电压偏移的影响来构建高效的系统。在这种拓扑结构中，LDO稳压器将调节到输入减去其压差电压，LT8618以高效率将~24 V转换为5 V或3.3 V。LDO稳压器的电流限值应设置为低于典型的3.8 mA，同时保持高效率，LT8618的输入电容器基本上也可用作去耦和储能电容器。这将在下游实现短时间的高负载突发，电流环路中的电流消耗最小或没有电流消耗。由于高压偏移很短，通常承载的总能量很少，因此在这些瞬变期间，LDO稳压器中产生的功率损耗不会影响整体效率。也就是说，LDO稳压器几乎所有时间都处于高降压比。
典型的电流环路限制为整个远程发射器供电的电源电路的输入电流，来自LDO稳压器的可用负载电流不能超过此输入电流限制。另一方面，降压稳压器可以乘以提供给负载的输入电流。图3显示了LT8618稳压器的输出电流与输入电流的关系，用于24 V输入至5.5 V转换。对于3.8 mA的输入电流限制，输出电流几乎为15 mA。这种额外的功率通过增加操作余量和启用额外的功能块来简化系统设计人员的工作。
图 3.输出电流与输入电流的关系，V在= 24 V， V外= 5.5 V. 图片由Bodo的电力系统提供 ［PDF］
突发模式操作提高了在纤巧负载条件下的效率
LDO稳压器的效率与降压比（V外/五在），当输入电压略高于输出时，可以有效。在效率非常低的高降压比下，问题就出现了，从而对系统产生显著的热应力。例如，输入为55 V，输出为3.3 V时，LDO稳压器的功率损耗为0.19 W，负载电流为3.8 mA。相比之下，设计合理的降压稳压器在高降压比下可以非常高效。此外，同步降压型稳压器可通过用 MOSFET 取代笆禾二极管来提高效率。同步降压转换器的挑战是优化整个负载范围内的效率，特别是在3 mA至15 mA的轻负载下，当输入可高达65 V时。
对于典型的同步降压转换器，三种功率损耗占主导地位：开关损耗、栅极驱动损耗以及与转换器IC控制器逻辑电路相关的损耗。如果开关频率降低，开关和栅极驱动损耗可以显著降低，因此只需以低频运行转换器，即可降低轻负载时的开关损耗和栅极损耗。
在轻负载时，逻辑电路的偏置损耗与相对较低的开关相关损耗相当。偏置电路通常由输出供电，仅在启动和其他瞬态条件下通过内部LDO稳压器从输入获取功率。
在轻负载条件下，LT8618 通过在突发模式下®工作来解决逻辑电路损耗问题，其中电流以短脉冲形式传递到输出电容器，然后是相对较长的休眠周期，其中大多数逻辑控制电路被关断。
为了进一步提高轻负载时的效率，最好使用更大值的电感器，因为在短开关脉冲期间，可以向输出提供更多的能量，并且降压稳压器可以在这些脉冲之间保持更长时间的休眠模式。通过最大限度地延长脉冲之间的时间并最小化每个短脉冲的开关损耗，LT8618的静态电流可以小于2.5 μA，同时在高达60 V的输入下保持输出调节。由于许多发送器电路大部分时间都消耗低电流，因此与典型的降压（功耗为数十或数百μA）相比，这种低静态电流可显着节省能源。
图4显示了图2所示电流环路解决方案的效率，其中5.5 VOUT输出轨连接到LT8618的BIAS引脚。在100 mA满载时，峰值效率达到87%，输入为28 V，电感为82 μH。对于相同的28 V输入，10 mA负载效率等于或高于77%，可以说更令人印象深刻。
图 4.LT8618 在轻负载、V 条件下的高效率在= 28 V， V外= 5.5 V， L = 82 μH.
使用的图像由Bodo的电力系统提供［PDF］
输入滤波器可限制浪涌电流和电流环路纹波
功率调节器的输入连接到电流环路，因此除了稳态电流限制外，在启动或负载瞬变期间限制纹波电流和浪涌电流也很重要。电源转换器启动期间的浪涌电流取决于给定软启动时间内输入和输出电容器的大小。这就是权衡：最小化输入电容以防止大浪涌电流，同时使其足够大以保持可接受的低纹波。
降压转换器的输入电流是脉冲的;因此，输入电容在为纹波电流提供滤波路径方面起着关键作用。如果没有该电容，大量的纹波电流将流过长电流环路，导致降压表现不可预测。因此，最小输入电容满足纹波电流和纹波电压要求。多层陶瓷电容器（MLCC）由于其低ESR和ESL，在纹波电流方面具有最佳性能。
当转换器在突发模式下工作时，电感电流遵循一个三角形波形。电流环路的阻抗远高于输入滤波器。因此，输入电容器两端的纹波电压可以通过以下公式估计，忽略电容器的ESR和ESL，其中IPEAK是降压电感中的突发电流，VR是输入电容器两端的纹波电压（显然，更高的突发电流需要更大的电容）：
［C=frac{I^{2}_{PEAK}L}{2V_{R}V_{IN}}，，，（2）］
为了最大限度地降低输入电压纹波，同时保持输入电容尽可能小，我们更喜欢较小的降压电感。然而，使用大电感器时，突发模式效率更好。对于82 μH电感和1 V纹波，为避免在任何最小输入实例下触发UVLO，100 nF输入电容足以满足使用LT8618的此应用。
大部分纹波电流通过局部去耦电容，剩余部分与电流环路共享相同的路径。保持电缆侧的电流纹波较小非常重要，因为它将作为电压纹波出现在分流检测电阻的两端，并且电压纹波的大小需要小于读取分流检测电阻两端电压的ADC的分辨率规格。电流纹波可以通过额外的滤波器进一步降低。RC滤波器是一个很好的设计权衡，因为输入电流很小，而且与LC滤波器相比成本较低。通过两级或三级联的RC滤波器可以进一步实现更小的纹波电流。
LTspice®仿真允许我们比较三种不同输入滤波器结构的源电缆侧的电流纹波，输入路径中串联的总电阻为100 Ω，使用V型LT8618在= 28 V 和 V外= 5.5 V，82 μH电感。电流脉冲相当于输入滤波器在10 mA输出电流下看到的LT8618稳压器的输入电流。
具有100 Ω和100 nF的单级RC滤波器在源电缆侧的峰峰值纹波超过60 μA。源电缆侧的纹波电流随着电容的增加或滤波级的级联而变小。鉴于降压稳压器在使用较大的直接输入电容器时性能更好，并且2级RC滤波器的BOM比3级滤波器更小，同时在源电缆侧提供相似的电流纹波，因此我们建议使用每级50 Ω和47 nF的2级滤波器。源电缆侧纹波电流约为30 μA，相应地，它在250 Ω分流电阻上产生约7.5 mV的纹波电压，这对于8位分辨率ADC来说几乎足够了。为了进一步降低电缆侧纹波电流，可以在滤波器中使用更大的电容。例如，如果用100 nF电容代替47 nF电容，则电缆侧纹波电流可以降至仅7 μA，相当于1.75 mV的纹波电压。
图 5.电流环路源侧的电流纹波。图片由博多的电力系统提供 ［PDF］
在典型的电流环路应用中，客户会在启动期间指定一个电流限制（例如3.2 mA），但可能超过此限制的指定短时间除外。在降压转换器中，通常会产生高浪涌电流来对输入电容器进行充电。输入滤波器的功能有两个方面：除了限制电缆源侧的纹波电流外，它还有助于限制启动浪涌电流。图6显示了使用2级输入滤波器的启动行为期间输入电流随时间变化的变化，输入V在24 V，输出侧负载电流为4 mA。
图 6.带输入滤波器的启动电流以限制浪涌电流（从顶部：输入电压 20 V/div、输出电压 5 V/div、使能、电缆侧输入电流、10 mA/div）。图片由博多的电力系统提供 ［PDF］
电流环路的关键要点
电流环路广泛用于工业和汽车系统，以收集信息并将其从传感器传输到控制系统，有时通过相对较长的电线。相反，环路将控制器输出和调制指令传输到远程执行器和其他设备。通过改善电流环路中的电源，特别是用高效降压稳压器取代传统上使用的线性稳压器，可以显著提高效率和性能，这也增加了电流能力并扩大了输入范围。高效率、高输入电压稳压器采用微型封装，最小导通时间短，因此可以生产出紧凑的整体解决方案，其尺寸和稳健性可与LDO稳压器解决方案相媲美。本文介绍了如何在4 mA至20 mA电流环路变送器中使用LT8618，以满足严格的工业要求。
