兩線制變送器微功率隔離電源設(shè)計(jì)

關(guān)于兩線制變送器微功率隔離電源設(shè)計(jì)，我們來(lái)先看看變送器是什么?傳感器是能夠受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。而常見(jiàn)的類型有功率變送器，電流電壓變送器等等。

在開(kāi)發(fā)低功耗的智能兩線制變送器時(shí)，儀器內(nèi)部的微功率電源設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。首先，一般情況下具有微處理器的智能變送器要滿足微控制器、A/D、D/A及通訊電路的供電，需要比普通4~20mA變送器更大的功率，需要內(nèi)部電源具有更高的供電效率.另外，對(duì)于電容傳感器和熱電偶，還要考慮接地或者傳感器可能碰殼(接地)的情況，所設(shè)計(jì)的變送器電路必須是輸入與輸出相隔離的，這樣才能夠保證后續(xù)控制系統(tǒng)的正常工作和抗共模干擾能力。由于外部電路為兩線制變送器系統(tǒng)提供的工作電流最大4mA,這些具體要求給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度和挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)的微輸入功率的隔離式兩線制變送器電源采用全集成電路設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉的特點(diǎn)。它以降落在兩線制變送器上的12~35VDC為輸入電源，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的恒流穩(wěn)壓前端輸入電路，固定消耗315mA電流，提供了兩組互相隔離的3V電源。與輸入不隔離的一組最大具有5mA負(fù)載能力，與輸入隔離的一組最大具有3mA負(fù)載能力，完全滿足輸入與輸出隔離型的兩線制變送器對(duì)電源的要求。

1.整體設(shè)計(jì)

圖1為電源原理圖。它由3個(gè)主要部分組成：U1、R1和Z1構(gòu)成的315mA/812V恒流穩(wěn)壓電路;由U2為核心構(gòu)成的DC/DC變換電路;由L2和U3構(gòu)成的一組隔離電源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求精簡(jiǎn)、高集成度，并且所有元器件都選擇了能夠工作于-40~85℃擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度區(qū)間的產(chǎn)品，能夠保證電源可靠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)變送器。

圖1　電源原理圖

1.1恒流穩(wěn)壓電路

作為給兩線制變送器供電的電源，必須保證最大工作電流不超過(guò)4mA,考慮到變送器需要有一定的低零點(diǎn)輸出指示，一般系統(tǒng)供電標(biāo)準(zhǔn)為315mA以下，同時(shí)，這類電源必須具有恒流特性，以保證兩線制變送器的工作特性。設(shè)計(jì)恒流源的方法很多，該設(shè)計(jì)采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317L來(lái)設(shè)計(jì)恒流源[2].

LM317L是三端可調(diào)穩(wěn)壓器，圖2是它的典型應(yīng)用。圖2(a)是它作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器時(shí)的基本應(yīng)用，此時(shí)在它的輸出端與調(diào)整端之間固定產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的壓差，典型值為1125V,因此，它的輸出電壓VO=1125(1+Ra/Rb)。利用LM317的輸出端于調(diào)整端之間具有穩(wěn)定壓差的特性，它也經(jīng)常被用來(lái)設(shè)計(jì)恒流源，圖2(b)是典型應(yīng)用電路，它產(chǎn)生的電流大小為I=1125/R.參見(jiàn)圖1,設(shè)計(jì)中R1取值為360Ω，故可以獲得約315mA的恒流。考慮到后續(xù)的DC/DC芯片的工作電壓范圍為4~11V,同時(shí)考慮到實(shí)際電源的輸出功率大小，使用了1個(gè)812V的穩(wěn)壓管Z1完成并聯(lián)穩(wěn)壓功能，同時(shí)為U2提供穩(wěn)定的入口電壓，條件是U2總消耗電流小于314mA,Z1必須選擇在小于011mA擊穿電流時(shí)即可穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)壓管(可選用Philips公司的產(chǎn)品，最低靜態(tài)穩(wěn)定電流僅幾十μA)。

圖2　LM317L典型應(yīng)用圖

電路前端的D1為防反相二極管，一般采用1N4148即可。熔絲選擇了PTC器件自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，指標(biāo)為100mA/60V,保證電源故障時(shí)不影響外部供電電源。

由于電源的最終應(yīng)用場(chǎng)合為現(xiàn)場(chǎng)變送器，它所處的環(huán)境溫度變化范圍是比較大的，因此必須考慮到溫度漂移的因素。電源的主要溫漂就是恒流的漂移，產(chǎn)生的原因是LM317L的基準(zhǔn)壓差的溫度漂移以及恒流電阻R1的溫度漂移。實(shí)際電路中，R1選擇了溫度系數(shù)低于5×10-6/℃的產(chǎn)品，溫漂可以忽略不計(jì)。LM317L的基準(zhǔn)壓差與溫度關(guān)系曲線見(jiàn)圖3,在-40~85℃的溫度范圍內(nèi)，溫度的影響較明顯，在高精度應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)償?？紤]到電源的實(shí)際應(yīng)用都是針對(duì)智能變送器的，在智能變送器系統(tǒng)中，出于對(duì)傳感器校正以及線路補(bǔ)償?shù)饶康?，變送器電路中都?huì)設(shè)計(jì)溫度傳感器，如LM75或者TC77等數(shù)字測(cè)溫芯片，故此電路沒(méi)有設(shè)計(jì)專門(mén)的硬件補(bǔ)償，而是提供了一個(gè)軟件補(bǔ)償?shù)乃惴?，用戶在?yīng)用電源的時(shí)候可以采用它對(duì)電源的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3　LM317L基準(zhǔn)溫度特性曲線圖