為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集變送器設(shè)計(jì)隔離電源，并降低器件成本

1.前言

現(xiàn)場(chǎng)變送器為工廠提供了一種自動(dòng)化檢測(cè)、測(cè)量和通信關(guān)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(jì)表明，每年有超過 1 億個(gè)現(xiàn)場(chǎng)變送器出貨，以支持全球工業(yè)應(yīng)用。如果沒有現(xiàn)場(chǎng)變送器的測(cè)量輸出，工廠自動(dòng)化就不會(huì)那么準(zhǔn)確或可靠，并且限制了其有效性。

在探討現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)的重要性及其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之前，讓我們簡(jiǎn)要定義現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)。

圖 1：壓力變送器

在基本層面上，現(xiàn)場(chǎng)變送器是一種設(shè)備，它使用傳感器來測(cè)量和傳達(dá)有關(guān)周圍環(huán)境（溫度、壓力、流量等）的信息。該設(shè)備將其測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為可讀的電信號(hào)，然后長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)將電纜連接到能夠處理信息并計(jì)算后續(xù)步驟的集中設(shè)備。一種更常見的現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行，是本文的重點(diǎn)。

2.現(xiàn)場(chǎng)變送器電源注意事項(xiàng)

雖然很明顯為什么現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器的傳感元件需要盡可能靠近被測(cè)試設(shè)備，但在傳感技術(shù)的功耗允許的情況下，為什么兩線發(fā)射器是首選選項(xiàng)可能并不那么明顯。4 至 20 mA 發(fā)射器根據(jù)需要進(jìn)行通信和表示的測(cè)量從接收器汲取電流：最低測(cè)量讀數(shù)低至 3.8 mA，最高測(cè)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(dāng)系統(tǒng)的電源又充當(dāng)信號(hào)總線；傳感器位置不需要輔助電源，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的信號(hào)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(chǎng)變送器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

由于 4 至 20 mA 頻譜的低端，所有兩線制現(xiàn)場(chǎng)變送器必須設(shè)計(jì)為在低于 3.6 mA 的電流下工作。這給設(shè)計(jì)人員帶來了困難的功耗預(yù)算，他們現(xiàn)在必須評(píng)估每個(gè)設(shè)計(jì)選擇的功耗。并非所有傳感技術(shù)都能夠在 <3.6 mA 下運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器確保盡可能靠近源進(jìn)行測(cè)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(shè)置旨在幫助提高工廠設(shè)置的準(zhǔn)確性和有效性，但長(zhǎng)距離部署中無意的接地回路實(shí)際上可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)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(gè)隔離屏障，可以實(shí)現(xiàn)傳感器和接收器的獨(dú)立接地，從而消除無意的接地回路。

4.隔離功率預(yù)算

從歷史上看，設(shè)計(jì)人員只有兩種選擇來在必要的功率預(yù)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(shù)可能消耗多達(dá)三分之一的可用電流，因此設(shè)計(jì)人員必須做出許多系統(tǒng)架構(gòu)決策以適應(yīng)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(xiàng)。圖 2 顯示了這種脈沖變壓器架構(gòu)的示例。

圖 2：現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，但數(shù)字隔離器歷來在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器設(shè)計(jì)中幾乎沒有用處，因?yàn)樗鼈兿牡碾娏髁砍隽祟A(yù)算要求。但是數(shù)字隔離器技術(shù)的重大進(jìn)步，例如降低功耗，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器系統(tǒng)改進(jìn)。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(shì)包括：

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

· 提高數(shù)據(jù)速率/吞吐量。 高達(dá) 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率可改進(jìn)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(kuò)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(shí)降低了高度要求，從而實(shí)現(xiàn)了更緊湊的設(shè)計(jì)并降低了印刷電路板成本。

· 提高可靠性和可預(yù)測(cè)性。 與光耦合器相比，高度受控的半導(dǎo)體工藝提供可靠的隔離，具有明確定義的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)上領(lǐng)先一步，提供了隔離式溫度變送器設(shè)計(jì)使用 TI 的最新器件。圖 3 是顯示兩種設(shè)計(jì)協(xié)同工作的框圖。

圖 3：隔離式溫度變送器參考設(shè)計(jì)框圖

需要精確和豐富的傳感器測(cè)量是現(xiàn)場(chǎng)變送器對(duì)于在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域運(yùn)行智能和安全過程至關(guān)重要的原因。雖然降低整體系統(tǒng)成本繼續(xù)推動(dòng)對(duì)低功耗兩線解決方案的需求，但時(shí)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(qiáng)功能，同時(shí)堅(jiān)持功率和成本預(yù)算。隨著自動(dòng)化的不斷擴(kuò)展和改進(jìn)，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。