4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)廢能利用

4-20mA電流環(huán)路信號(hào)常用于工業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸，例如：加工溫度或者容器壓力等。這種信號(hào)傳輸方式之所以成為人們的首選，因?yàn)樗?jiǎn)單便捷、抗噪、安全，并且可以在沒(méi)有數(shù)據(jù)損壞的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于傳輸數(shù)據(jù)的電流相對(duì)較低，這些電流環(huán)路還是低功耗系統(tǒng)。以前，沒(méi)有獲得利用的功率，或者信號(hào)傳輸過(guò)程中損失的功率，都在發(fā)送器內(nèi)耗散掉;但現(xiàn)在，利用現(xiàn)代集成電路以后，即使這一小部分功率也被節(jié)省下來(lái)，以支持系統(tǒng)中必需功能的正常工作。

4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

圖 1 顯示了一個(gè)典型的 4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)。一個(gè)半穩(wěn)壓式 24V DC 電源同時(shí)向電流環(huán)路和發(fā)送器組件供電。發(fā)送器對(duì)重要信號(hào)(例如：溫度、壓力和其他參數(shù))進(jìn)行測(cè)量，然后輸出一個(gè) 2-20mA 電流，其與該信號(hào)強(qiáng)弱成比例。該電流通過(guò)線(xiàn)路，傳輸至某個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)。之后，電流遇到電阻器形成電壓，其通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀出，然后再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理。通過(guò)連線(xiàn)，連接回到為環(huán)路供電的電壓源，這樣構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)路。

圖 1 基本的 4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)

工業(yè)應(yīng)用中使用這些電流環(huán)路具有諸多好處：

l 電流環(huán)路是一些簡(jiǎn)單電路，僅要求一個(gè)簡(jiǎn)易電源、一個(gè)完成測(cè)量然后產(chǎn)生電流的發(fā)送器、一條傳輸線(xiàn)以及一個(gè)接收機(jī)電路。電源只需提供足以克服各種系統(tǒng)壓降問(wèn)題的電壓;多余的環(huán)路電壓剛好在發(fā)送器處得到降低。由于電流較低，僅有少量功耗，因此發(fā)熱較少。

l 電流環(huán)路僅包含一個(gè)電流環(huán)路。因此，根據(jù)基爾霍夫電流定律，通過(guò)環(huán)路中所有組件的電流相等。這樣便實(shí)現(xiàn)了較高的抗噪性，而抗噪性又是工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的關(guān)鍵。

l 由于信號(hào)電平最低達(dá)到 4mA，從而實(shí)現(xiàn)了安全性。如果環(huán)路內(nèi)部出現(xiàn)損壞，或者環(huán)路連接斷開(kāi)，則接收機(jī)無(wú)法讀出電流，其表明出現(xiàn)故障，而非最低信號(hào)電平。

l 只要電源電壓高到足以克服系統(tǒng)壓降，則代表測(cè)得信號(hào)的理想電流由發(fā)送器維持。因此，高壓降和低成本的小規(guī)格線(xiàn)材用于進(jìn)行互連，其僅要求增加電源電壓。最為重要的是，線(xiàn)路允許相對(duì)較大的壓降，便可以使用大量的連線(xiàn)。這樣，受測(cè)儀器和對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的控制室之間便可實(shí)現(xiàn)物理隔離，從而為控制室內(nèi)的人員提供安全保護(hù)。

基本系統(tǒng)改進(jìn)

我們可以利用多余的環(huán)路電壓，用于向接收機(jī)電路供電，否則其會(huì)在發(fā)送器被降下來(lái)。圖 2 顯示了一個(gè)在電流環(huán)路中插入的電源。該電源與其供電的接收機(jī)電路一起放置于控制室中——有效地將多余環(huán)路電壓轉(zhuǎn)換為有用輸出功率。

圖 2 4-20mA電流環(huán)路中多余環(huán)路電壓的利用

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由于接收機(jī)電阻不再接地參考，因此可能會(huì)需要電平移動(dòng)電路，以連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入。任何高端分流監(jiān)測(cè)器(例如：TI INA138等)都可提供這種極為簡(jiǎn)單的電路。這些器件對(duì)共模電壓的小檢測(cè)電阻壓降進(jìn)行測(cè)量，從而降低接收機(jī)電阻的必要壓降。這樣便讓更多的電壓可以為電源所利用，從而降低能源浪費(fèi)。

這種電源通常會(huì)提供經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的 3.3V 輸出，以為電平位移器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及控制室內(nèi)的所有其他低功耗設(shè)備供電。例如，來(lái)自 TI MSP430TM 平臺(tái)的微處理器，其對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，然后做出決策;來(lái)自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其將數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸至其他地方。如果無(wú)需為特別長(zhǎng)的電流環(huán)路購(gòu)買(mǎi)和安接線(xiàn)路，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省，則無(wú)線(xiàn)發(fā)送器特別有用。這些器件的功耗必須非常低，因?yàn)檎ト∽噪娏鳝h(huán)路的多余能源數(shù)量有限。

最后，這種電源還必須能與此類(lèi)低功耗電源一起工作—最小電流 4mA，最大電流 20mA。由于這種電流所產(chǎn)生的電壓為環(huán)路的多余電壓，因此電源必須接受一個(gè)寬輸入電壓范圍，并且仍然提供穩(wěn)定的輸出。對(duì)這種電源而言，更困難的是通過(guò)限流電源來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)。一般而言，啟動(dòng)期間要求更高的輸出功率，對(duì)輸出電容器充電，同時(shí)為負(fù)載提供啟動(dòng)電流。它遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)消耗的量。如果電源要在啟動(dòng)期間提供這種高功率，則其輸出功率會(huì)超出電流環(huán)路提供的量。如果出現(xiàn)這種情況，進(jìn)入電源的電壓會(huì)在電源關(guān)閉以前不斷下降。這樣，在重新開(kāi)啟以前，其輸入電壓會(huì)再次上升，并不斷重復(fù)該過(guò)程。當(dāng)電源通過(guò)這種小輸入功率工作時(shí)，啟動(dòng)振蕩是我們需要克服的一個(gè)難題。

能源利用解決方案

正如前面所述，廢能利用型電源必須擁有較寬的輸入電壓范圍，能夠通過(guò)非常小的輸入功率工作，并能在通過(guò)限流電源供電時(shí)避免出現(xiàn)啟動(dòng)振蕩。TI 的 TPS62125 便是一個(gè)這種電源，因?yàn)樗ㄟ^(guò)一個(gè) 3-17V 輸入工作，僅要求 11 µA 的工作電流，并且擁有帶可調(diào)磁滯的可編程使能閾值電壓。TPS62125 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中建議的電路有三個(gè)小改動(dòng)：

1、給器件輸入添加一個(gè) 15V 齊納二極管，以在其承受的多余環(huán)路電壓超出其17V額定值時(shí)提供保護(hù)。如果使用一個(gè)低壓電流環(huán)路系統(tǒng)，則無(wú)需使用這種二極管。最大電壓控制在 15.6V 的齊納二極管可以獲得較好的結(jié)果。

2、給器件輸入端添加大容量電容，以存儲(chǔ)足夠的能源，用于啟動(dòng)和負(fù)載變化。根據(jù)啟動(dòng)期間負(fù)載的功率需求情況，可能會(huì)不需要使用這種電容器。總計(jì)約200 µF　的電容，便可讓舉例負(fù)載實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)，其在啟動(dòng)時(shí)需要 3.3V、50Ma 的電源持續(xù)供電30ms，而啟動(dòng)以后則只需要 10mA 的電流。大容量電容還可為可能出現(xiàn)的定期高功率需求提供存儲(chǔ)能源，例如：溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器讀取操作或者通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3、對(duì)器件的使能閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣器件便可在其電壓達(dá)到 12V 時(shí)開(kāi)啟。對(duì)器件編程，讓其在輸入降至 4V 時(shí)關(guān)閉。一旦啟用，器件便高效地將這種重新得到利用的能源轉(zhuǎn)換為其 3.3V 輸出。

例如，一個(gè)電源解決方案，我們選擇 4V 作為關(guān)閉電壓，目的是提供輸入電壓到輸出電壓的規(guī)定余量，從而讓器件能夠保持 3.3V 穩(wěn)壓輸出。使用 12V 的開(kāi)啟電壓，用于滿(mǎn)足系統(tǒng)的各種要求。我們假設(shè)，24V 電源的變化范圍為 18V 到 30V 之間，并且電流環(huán)路壓降共計(jì)為 6V 最大值，從而讓器件在極端情況時(shí)承受 12V 的最小值。因此，我們選擇 12V 作為啟動(dòng)電源的點(diǎn)，因?yàn)樗?strong>器件可能會(huì)承受的最小電壓。另外，12V 最小電壓可以在開(kāi)啟電壓和關(guān)閉電壓之間實(shí)現(xiàn)充分的間隔，這樣電源便在沒(méi)有啟動(dòng)振蕩的情況下啟動(dòng)進(jìn)入高功率負(fù)載狀態(tài)。

上述電源解決方案通過(guò) TI 的 XTR111 啟動(dòng)和關(guān)閉。XTR111 是一個(gè) 4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器，能夠始終提供 4Ma 以下的電流。圖 3 顯示了這種解決方案的啟動(dòng)情況。發(fā)送器啟用以后，它便開(kāi)始提供電流，其將輸入電壓升高至電源的 12V 開(kāi)啟點(diǎn)。電源輸出電壓上升進(jìn)入調(diào)節(jié)區(qū)域，然后立即提供 50 mA 的負(fù)載啟動(dòng)電流。這會(huì)稍微降低電源的輸入電壓，但電源保持對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，原因是其寬電壓范圍和大容量輸入電容器。負(fù)載啟動(dòng)能耗持續(xù) 30ms 以后，負(fù)載電流減少至穩(wěn)定狀態(tài)，即 10mA 電平。輸入電壓進(jìn)一步上升，并受齊納二極管控制，保持在 15V 電平。正如我們已經(jīng)注意到的那樣，電流環(huán)路提供的電流始終保持在4mA以下。

圖 3 廢能利用型電源的啟動(dòng)

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圖 4 顯示了圖 3 的放大圖。電源從大容量電容器吸取存儲(chǔ)的電能，以滿(mǎn)足啟動(dòng)負(fù)載電流需求，同時(shí)電流環(huán)路始終提供低于 4mA 的電流。這種吸能過(guò)程，會(huì)使輸入電壓降低約 2V，但對(duì)這種電源而言，這是可以接受的。

圖 4 提供負(fù)載啟動(dòng)電流的廢能利用型電源

最后，廢能利用的電源在大容量電容器中存儲(chǔ)足夠的電能，然后在一個(gè)足夠?qū)挼妮斎腚妷悍秶ぷ鳎韵蜇?fù)載提供持續(xù)的功率脈沖。圖 5 所示電源，每秒為負(fù)載提供持續(xù)時(shí)間 100ms 的 20mA 電流，并且保持對(duì)電源輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。

圖 5提供負(fù)載電源脈沖的廢能利用型電源

結(jié)論

在4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)中，我們可以對(duì)那些被浪費(fèi)掉電能加以有效利用。這種電能可以為控制室需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和微處理器供電，以對(duì)來(lái)自電流環(huán)路的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且它還可以為低功耗RF發(fā)送器供電，從而擴(kuò)展了4-20mA電流環(huán)路的應(yīng)用范圍，同時(shí)通過(guò)減少要求的布線(xiàn)數(shù)量，節(jié)省了此類(lèi)系統(tǒng)的成本。擁有寬輸入電壓范圍、可使用極小功率工作且能夠在沒(méi)有振蕩的情況下通過(guò)限流電源啟動(dòng)的電源，可讓廢能重新得到利用，并在系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮其作用。