滿足工業需求的4–20mA電流環變送器設計考量及性能分析
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4~20mA電流環廣泛用作工業領域的模擬通信接口，可以方便地通過雙絞線將遠端傳感器數據傳送到控制中心的可編程邏輯控制器(PLC)。這種接口簡單、可實現數據的長距離可靠傳輸，具有良好的抗噪性，實施成本較低，非常適合長期的工業過程控制以及遠端自動監測。
毫無疑問，工業發展和當今所有的電子應用一樣，需求強勁，要求精度更高、功耗更低，并在-40°C至+105°C擴展工業級溫度范圍內可靠工作，具備更高的安全性和系統保護，還要求支持高速可尋址遠端傳感器(HART)協議?？偠灾?，這些要求使得當今的4~20mA電流環設計頗具挑戰性。
本文介紹了如何開發4~20mA電流環變送器并進行性能分析，以及如何選擇滿足嚴苛工業要求的元器件。提供誤差分析測試數據、熱特征數據、原理圖以及分析軟件。
工作原理及關鍵設計參數
我們首先從參考設計入手，圖1所示為高性能、低功耗、4~20mA電流環變送器的方框圖，該設計大幅減少了元件數量，具有最高性價比。
圖1：4~20mA環路供電變送器參考設計，由MAX5216 16位DAC(U1)、MAX9620運算放大器(U2)、MAX6133電壓基準(U3)和MAX15007LDO(U4)組成。
該參考設計采用低功耗、高性能元件，25°C時精度優于0.01%；整個溫度范圍內，精度優于0.05%，支持工業上最嚴格的4~20mA電流環要求。該設計采用低功耗16位DAC(U1)；零失調、滿擺幅輸入輸出(RRIO)、高性能運算放大器(U2)；電壓基準(U3)；以及40V低靜態電流LDO(U4)。
U3電壓基準為U1提供低噪聲、5ppm/°C (最大值)低溫漂和高的2.500V電壓。智能傳感器微控制器通過3線SPI總線向U1發送命令。U1輸出經過分壓并被Q1功率MOSFET、10? (±0.1%)檢流電阻(RSENSE)以及U2轉換為環路電流。U1、U2和U3器件由U4供電，后者由環路直接供電。限流電路由雙極型晶體管Q2和檢測電阻(R6)構成，這樣可將環路電流限制在大約30mA，防止失控條件以及損壞PLC側的ADC。肖特基二極管(D1)保護變送器不受反向電流損害。
性能分析
參考設計工作于低功耗，所選元件的最大耗流在+25°C時小于200?A；在-40°C至+105°C溫度范圍內小于300uA。U2運算放大器在時間和整個溫度范圍的輸入失調電壓為25uV(最大值)，理想用于高精度、高可靠性系統。10Ω檢流電阻允許使用較低的環路供電電壓；小電阻耗散功率較低，允許使用小封裝，從而進一步減小變送器尺寸。例如，如果只有10? RSENSE和10Ω負載，其上最大壓降在30mA時為600mV。U4 LDO在提供3.3V輸出時只需連接4V電源電壓即可正常工作，最小環路電壓可低至5V。但是，如果PLC負載為250Ω，那么最小環路電源電壓必須為4V + 30mA × (10 + 250)Ω = 11.8V。
注意，為了更精確地估算最小環路供電電壓，還必須考慮環路電源內阻。
測試期間，輸出在10Ω時呈現出一定的噪聲。增大RSENSE電阻值將增大功耗和最小環路供電電壓，但也降低了環路噪聲。這種綜合平衡可由用戶控制。
U2運算放大器跟蹤R2和RSENSE上的壓降，在其兩個輸入節點維持0V。該電路滿足以下關系式：
式中：
IOUT為環路電流；
I(R2)為通過R2的電流；
I(R1)為通過R1的電流；
I(R3)為通過R3的電流。
式2中，我們假設U2的IN+和IN-輸入電流為0。按照式1和式2，4mA初始環路電流由I(R3)電流設置，而I(R1)為0。所以：
通過R3的電流等于U3電壓基準輸出除以R3。式3可重寫為：
根據有關通過4~20mA電流環路發送故障信息的Namur NE43建議，測量信息的信號范圍為3.8mA至20.5mA，允許過程讀數發生略微的線性超量程。有些情況下，當定義了附加故障條件時，甚至會需要更大的動態范圍，比如3.2mA至24mA。因此，選擇R2=24.9k，IOUT_INIT=3.2mA，從式4求解R3，得到：
1.945MΩ電阻成本較高，更重要的是，不太適合自動化生產，也不利于現場校準。因此，更好的方法是采用標準的1%容限電阻，通過校準確保U1 DAC的4mA失調電流和20mA滿幅電流精度。這種情況下，需要校準部分數字編碼，以確保要求的精度。所以，I(R1)=VDAC/R1，其中VDAC為U1 DAC輸出電壓。上式重寫為：
最后，式1可重寫為：
誤差分析和性能優化
+25°C下變送器誤差
表1所示為+25°C時4~20mA電流環路中的無源元件和VREF的誤差分析，數據基于式8。建議設計者利用數據表進行結果分析，找到4mA、20mA及24mA IOUT的對應編碼。
表1：4~20mA電流環變送器誤差分析。
因此，如果R3電阻為1%容限的2MΩ標準電阻，將U1 DAC設置為2682十進制碼，那么得到的初始環路電流為4.00015mA。注意，由于高分辨率U1 DAC校準消除了個體元件的誤差，計算得到的總誤差遠遠小于個體元件的容限。
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