智能變送器用電源的研制

隨著微控制器MCU(或單片機(jī))技術(shù)的成熟，原來(lái)的模擬變送器逐漸被以微控制器為數(shù)據(jù)處理和控制核心的智能變送器所代替。智能變送器擴(kuò)展了模擬變送器的功能，不僅提高了測(cè)量精度和工作可靠性，還可以很容易地實(shí)現(xiàn)線性化處理、溫度補(bǔ)償、自動(dòng)零點(diǎn)和量程調(diào)整及數(shù)字通信等功能。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，具有微處理器的智能變送器要滿足微控制器、A/D、D/A以及通信電路的供電，需要比原來(lái)模擬變送器更大的功率，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僅為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)。我所設(shè)計(jì)的這種微輸入功率的隔離式兩線制變送器電源是應(yīng)用在射頻導(dǎo)納物位變送器上的，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)。輸入電壓范圍是16～32VDC，采用降壓變換器方式，輸出兩組互相隔離的5V電源。輸入電壓24VDC，與輸入不隔離的一組最大具有10mA負(fù)載能力，與輸入隔離的一組最大具有4mA負(fù)載能力，24VDC總線電流小于3.5mA，效率可以達(dá)到85％以上，完全滿足輸入與輸出隔離型的兩線制智能變送器對(duì)電源的要求。

整體設(shè)計(jì)
由于智能變送器電源線和信號(hào)線復(fù)用，射頻導(dǎo)納物位變送器正常工作時(shí)，根據(jù)物位高低輸出4～20mA的電流信號(hào)，電路功耗電流不能超過(guò)4mA的回路電流，還需要有故障報(bào)警功能，總線電流要求為3.6mA，為了生產(chǎn)還需要留出一定的余量，即射頻導(dǎo)納物位變送器本身功耗電流必須小于3.5mA?，F(xiàn)在，簡(jiǎn)單估算一下這種變送器的最大功耗，從控制室出來(lái)送往變送器的電壓按24V計(jì)算，4～20mA DC信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器后先送到配電器中，經(jīng)負(fù)載電阻(一般為250Ω)轉(zhuǎn)換成1～5V的直流電壓信號(hào)，再送往控制室。理論上變送器內(nèi)部可以消耗的最大功率不應(yīng)超過(guò)(24-1)×3.5=80.15mW。這還不包括輸入電路部分的電壓損耗等。圖1為智能變送器組成和對(duì)電源要求。

圖1 智能變送器組成和對(duì)電源要求

目前市面上主要有兩種低電壓電源芯片：線性電源變換器和開(kāi)關(guān)電源變換器。線性電源變換器基本上不需要外圍元件，成本低，不易受電磁干擾，紋波電壓小，但主要缺點(diǎn)是電源效率低(一般小于40%)，尤其應(yīng)用在低輸出電壓的穩(wěn)壓中，效率更低。根據(jù)線性電源的工作原理，其輸出電流接近于輸入電流，而3.5mA的輸出電流根本無(wú)法滿足單片機(jī)電路和檢測(cè)電路的需要，只能采用開(kāi)關(guān)電源變換器。

目前市場(chǎng)上能夠應(yīng)用在兩線制智能變送器上的微功耗開(kāi)關(guān)電源變換器芯片種類并不是很多，并且價(jià)格昂貴。為此，我們提出了兩種方案：一種為低成本方案，采用精工電子生產(chǎn)的S-8251B40芯片，采取先把輸入總線電壓降壓到16V方法；另一種采用Linear公司生產(chǎn)的LT1934芯片。

方案一
這種方案采用精工電子生產(chǎn)的S-8251B40芯片，成本較低，總體效率也較低，對(duì)用電負(fù)載電路設(shè)計(jì)要求則很高。其輸入為24VDC，與輸入不隔離的一組輸出4.6V，8mA電流，與輸入隔離的一組輸出3.6V，3mA電流，24VDC總線電流小于3.5mA，效率可以達(dá)到57％以上。如果以輸入電壓16VDC計(jì)算，效率可以達(dá)到85％以上。

S-8520/8521系列是一種由基準(zhǔn)電壓源、振蕩電路和誤差放大器等構(gòu)成的PWM控制(S-8520系列)、PWM/PFM切換控制(S-8521系列)CMOS降壓型DC/DC控制器。S-8520系列通過(guò)以線性方式在0～100%的范圍內(nèi)改變占空系數(shù)的PWM控制電路和誤差放大電路來(lái)獲得低紋波、高效率和良好的過(guò)渡響應(yīng)特性。并且，其內(nèi)置了軟啟動(dòng)電路，以防止啟動(dòng)上升時(shí)發(fā)生上沖。S-8521系列采用PWM/PFM切換控制，在通常時(shí)以占空系數(shù)25%～100%的PWM控制來(lái)進(jìn)行工作，在輕負(fù)載時(shí)，自動(dòng)地將工作切換為占空系數(shù)25%的PFM控制。從設(shè)備的待機(jī)時(shí)開(kāi)始，到工作時(shí)為止的寬范圍內(nèi)獲得高效率。通過(guò)外接P溝道功率MOSFET或PNP晶體管、線圈、電容器和二極管，可以構(gòu)成降壓型DC/DC控制器，該產(chǎn)品適用于移動(dòng)設(shè)備的電源。主要指標(biāo)：輸入電壓為2.516V，輸出電壓為1.56.0V，可以0.1V為進(jìn)階單位來(lái)進(jìn)行設(shè)定；低消耗電流工作時(shí)：60μA最大值(A、B型產(chǎn)品)；休眠時(shí)：0.5μA最大值。振蕩頻率典型值為180kHz(A、B型產(chǎn)品)；軟啟動(dòng)功能典型值為8ms(A、B型產(chǎn)品)；備有開(kāi)/關(guān)控制功能。圖2為S-8251基本電路。

圖2 S-8251基本電路