耗電流低于200 μA的低功耗4 mA至20 mA過程控制電流環(huán)路

mA至20 mA電流環(huán)路廣泛用于采用數(shù)字或模擬輸入輸出的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)。

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一個(gè)4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器，用于過程控制系統(tǒng)與其執(zhí)行器之間的通信。除具有高性價(jià)比外，此電路還是業(yè)界功耗最低的解決方案。電流環(huán)路接口之所以頗受青睞，是因?yàn)樗芤愿咝詢r(jià)比方式進(jìn)行長距離抗擾數(shù)據(jù)傳輸。低功耗雙通道運(yùn)算放大器AD8657 、DACAD5621和基準(zhǔn)電壓源ADR125的組合，可以為微控制器和數(shù)字隔離器等更高功耗器件提供更多功耗預(yù)算。此電路輸出電流為0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范圍一般對(duì)應(yīng)表示DAC或微控制器的輸入控制范圍，0 mA至4 mA的輸出電流范圍則常用于診斷故障條件。

圖1 PIC32MX795F512方框圖

12位、5 V AD5621需要75 μA的電源電流(典型值)。AD8657是一款軌到軌輸入/輸出雙通道運(yùn)算放大器，而且是目前業(yè)界功耗最低的放大器之一(在整個(gè)電源電壓和輸入共模范圍內(nèi)，其耗電流為22 μA)，工作電壓最高可達(dá)18 V。ADR125是精密微功耗5 V帶隙基準(zhǔn)電壓源，僅需要95 μA電源電流。這三個(gè)器件總共消耗192 μA的電源電流(典型值)。

電路描述

對(duì)于工業(yè)和過程控制模塊，4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器用作控制單元與執(zhí)行器之間的通信手段。12位DAC AD5621位于控制單元，根據(jù)輸入代碼產(chǎn)生0 V至5 V之間的輸出電壓VDAC。代碼通過SPI接口設(shè)置，輸入代碼與輸出電壓之間的理想關(guān)系可用下式表示：

其中：

VREF為ADR125的輸出電壓和AD5621的電源電壓

D是載入AD5621的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值

DAC輸出電壓設(shè)置流過檢測電阻RSENSE的電流

流過RSENSE 的電流作為VDAC 的函數(shù)在0 mA至2 mA范圍內(nèi)變化。此電流會(huì)在R1兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，并設(shè)置AD8657放大器(A2)的同相輸入端電壓。A2 AD8657使環(huán)路閉合，并將反相輸入端電壓拉至與同相輸入端相同的電壓。因此，流過R1的電流以10倍的系數(shù)鏡像到R2，這可以通過公式3表示：

VDAC 的范圍為0 V至5 V，因此該電路產(chǎn)生的電流輸出范圍為0 mA至20 mA。

AD5621是一款12位DAC，屬于 nanoDAC系列，采用基準(zhǔn)電壓源ADR125的5 V輸出電壓工作。它有一個(gè)片內(nèi)精密輸出緩沖器，該緩沖器能夠提供軌到軌輸出擺幅，因此其動(dòng)態(tài)輸出范圍非常高。電源電壓為5 V時(shí)，AD5621消耗的電源電流為75μA(典型值)。

圖 2. 0 mA至20 mA輸出電流

圖3 輸出電流誤差圖

此外，本電路解決方案需要一個(gè)軌到軌輸入放大器，雙通道運(yùn)算放大器AD8657是絕佳選擇，具有低功耗和軌到軌特性。在額定電源電壓和輸入共模電壓范圍內(nèi)，該運(yùn)算放大器的工作電源電流為22μA(典型值)。它還提供出色的單位電流噪聲和帶寬性能。AD8657是功耗最低的放大器之一，工作電源電壓最高可達(dá)18 V。

ADR125是一款精密、微功耗、低壓差(LDO)基準(zhǔn)電壓源。輸入電壓為18 V時(shí)，靜態(tài)電流僅95μA(典型值)。之所以首選LDO基準(zhǔn)電壓源，是因?yàn)樗苁箯目刂茊卧綀?zhí)行器的環(huán)路電線承受更多壓降。為了保持穩(wěn)定，ADR125的輸出端需要一個(gè)0.1 μF小電容。另外再并聯(lián)一個(gè)0.1μF至10μF電容可以提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。雖然輸入電容不是必需的，但建議使用。輸入端可以串聯(lián)一個(gè)1μF至10μF的電容，以改善電源電壓突然變化時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。再并聯(lián)一個(gè)0.1 μF電容同樣有助于降低電源噪聲。

還需要旁路電容(圖1中未顯示)。本例中每個(gè)雙通道運(yùn)放的每個(gè)電源引腳上都應(yīng)有一個(gè)10μF鉭電容與一個(gè)0.1 μF陶瓷電容并聯(lián)。

該電路解決方案輸出0mA至20mA的電流。圖2顯示在250 Ω負(fù)載電阻中測得的電路輸出電流。圖3所示為輸出電流誤差圖。

常見變化

對(duì)于14位或16位分辨率的解決方案，請(qǐng)考慮采用AD5641 或AD5662，16 V CMOS運(yùn)算放大器ADA4665-2 是另一個(gè)選擇，可以代替AD8657，它的性價(jià)比更高，電壓噪聲更低，但缺點(diǎn)是電源電流較高。針對(duì)此類應(yīng)用選擇放大器時(shí)，務(wù)必確保不要超出輸入共模電壓和電源電壓范圍。

對(duì)于更高的電源電壓，請(qǐng)考慮采用基準(zhǔn)電壓源ADR02 ，其工作電源電壓最高可達(dá)36 V。