為工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集變送器設計隔離電源，并降低器件成本

1.前言

現(xiàn)場變送器為工廠提供了一種自動化檢測、測量和通信關鍵系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)（如溫度、壓力和流量）的方法。一些估計表明，每年有超過 1 億個現(xiàn)場變送器出貨，以支持全球工業(yè)應用。如果沒有現(xiàn)場變送器的測量輸出，工廠自動化就不會那么準確或可靠，并且限制了其有效性。

在探討現(xiàn)場發(fā)射機的重要性及其設計挑戰(zhàn)之前，讓我們簡要定義現(xiàn)場發(fā)射機。

圖 1：壓力變送器

在基本層面上，現(xiàn)場變送器是一種設備，它使用傳感器來測量和傳達有關周圍環(huán)境（溫度、壓力、流量等）的信息。該設備將其測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為可讀的電信號，然后長距離傳輸數(shù)據(jù)將電纜連接到能夠處理信息并計算后續(xù)步驟的集中設備。一種更常見的現(xiàn)場變送器架構(gòu)，通常稱為兩線或回路供電系統(tǒng)，在 4 至 20 mA 總線上運行，是本文的重點。

2.現(xiàn)場變送器電源注意事項

雖然很明顯為什么現(xiàn)場發(fā)射器的傳感元件需要盡可能靠近被測試設備，但在傳感技術的功耗允許的情況下，為什么兩線發(fā)射器是首選選項可能并不那么明顯。4 至 20 mA 發(fā)射器根據(jù)需要進行通信和表示的測量從接收器汲取電流：最低測量讀數(shù)低至 3.8 mA，最高測量讀數(shù)最高 20.5 mA。兩線制變送器最適合的原因是電流既充當系統(tǒng)的電源又充當信號總線；傳感器位置不需要輔助電源，從而實現(xiàn)強大的信號完整性和使用更便宜且數(shù)量明顯更少的電線的能力。

3.現(xiàn)場變送器設計挑戰(zhàn)

由于 4 至 20 mA 頻譜的低端，所有兩線制現(xiàn)場變送器必須設計為在低于 3.6 mA 的電流下工作。這給設計人員帶來了困難的功耗預算，他們現(xiàn)在必須評估每個設計選擇的功耗。并非所有傳感技術都能夠在 <3.6 mA 下運行。

現(xiàn)場發(fā)射器確保盡可能靠近源進行測量，盡管它們可能距接收器數(shù)百甚至數(shù)千米。雖然這種設置旨在幫助提高工廠設置的準確性和有效性，但長距離部署中無意的接地回路實際上可能會產(chǎn)生相反的效果，導致測量不準確，甚至降低工廠效率。

為了克服這一挑戰(zhàn)，在傳感器和電流回路之間增加了一個隔離屏障，可以實現(xiàn)傳感器和接收器的獨立接地，從而消除無意的接地回路。

4.隔離功率預算

從歷史上看，設計人員只有兩種選擇來在必要的功率預算內(nèi)隔離他們的系統(tǒng)：光耦合器或脈沖變壓器。由于這兩種隔離技術可能消耗多達三分之一的可用電流，因此設計人員必須做出許多系統(tǒng)架構(gòu)決策以適應隔離，例如節(jié)流數(shù)據(jù)速率；添加額外的微控制器以減少跨越隔離屏障的通信線路；并采購最低功耗、最高額定溫度的選項。圖 2 顯示了這種脈沖變壓器架構(gòu)的示例。

圖 2：現(xiàn)場變送器示例 - 用于數(shù)據(jù)隔離的單通道脈沖變壓器

盡管有許多優(yōu)點，但數(shù)字隔離器歷來在現(xiàn)場發(fā)射器設計中幾乎沒有用處，因為它們消耗的電流量超出了預算要求。但是數(shù)字隔離器技術的重大進步，例如降低功耗，已經(jīng)實現(xiàn)了關鍵的現(xiàn)場發(fā)射器系統(tǒng)改進。例如，TI 的ISO7941超低功耗數(shù)字隔離器在靜態(tài)操作中每通道的功耗可低至 4.2 μA。

優(yōu)勢包括：

· 超低功耗可擴展性。 10 kbps 時低于 20 μA 的總功耗為系統(tǒng)提供了顯著的功率，并實現(xiàn)了歷史上無法在功率預算內(nèi)完成的其他系統(tǒng)改進。

· 提高數(shù)據(jù)速率/吞吐量。 高達 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率可改進傳感器和發(fā)射器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

· 更寬的溫度范圍。 -55°C 至 125°C 的擴展溫度范圍可以使發(fā)射器在極端條件下使用，而無需采購額定溫度更高、成本更高的光耦合器。

· 減小了解決方案的大小。 在不到一半的面積內(nèi)增加了通道數(shù)，同時降低了高度要求，從而實現(xiàn)了更緊湊的設計并降低了印刷電路板成本。

· 提高可靠性和可預測性。 與光耦合器相比，高度受控的半導體工藝提供可靠的隔離，具有明確定義的行業(yè)標準隔離柵壽命和更低的器件間差異。

為了在隔離式 4 至 20 mA 設計上領先一步，提供了隔離式溫度變送器設計使用 TI 的最新器件。圖 3 是顯示兩種設計協(xié)同工作的框圖。

圖 3：隔離式溫度變送器參考設計框圖

需要精確和豐富的傳感器測量是現(xiàn)場變送器對于在工廠自動化領域運行智能和安全過程至關重要的原因。雖然降低整體系統(tǒng)成本繼續(xù)推動對低功耗兩線解決方案的需求，但時代已經(jīng)改變，4 通道ISO7401  和 2 通道ISO7021 等數(shù)字隔離器 可以提高可靠性并增強功能，同時堅持功率和成本預算。隨著自動化的不斷擴展和改進，必須不遺余力地提高吞吐量、提高一致性并降低成本和能源。