教您利用4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢能

4-20mA電流環(huán)路信號常用于工業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)遠距測量數(shù)據(jù)傳輸，例如：加工溫度或者容器壓力等。這種信號傳輸方式之所以成為人們的首選，因為它簡單便捷、抗噪、安全，并且可以在沒有數(shù)據(jù)損壞的情況下實現(xiàn)遠距離傳輸。由于傳輸數(shù)據(jù)的電流相對較低，這些電流環(huán)路還是低功耗系統(tǒng)。以前，沒有獲得利用的功率，或者信號傳輸過程中損失的功率，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，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

圖1顯示了一個典型的4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)。一個半穩(wěn)壓式24V DC電源同時向電流環(huán)路和發(fā)送器組件供電。發(fā)送器對重要信號（例如：溫度、壓力和其他參數(shù)）進行測量，然后輸出一個2-20mA電流，其與該信號強弱成比例。該電流通過線路，傳輸至某個接收機系統(tǒng)。之后，電流遇到電阻器形成電壓，其通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)讀出，然后再經(jīng)過進一步處理。通過連線，連接回到為環(huán)路供電的電壓源，這樣構(gòu)成一個完整的環(huán)路。

圖1：基本的4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)

工業(yè)應用中使用這些電流環(huán)路具有諸多好處：

●電流環(huán)路是一些簡單電路，僅要求一個簡易電源、一個完成測量然后產(chǎn)生電流的發(fā)送器、一條傳輸線以及一個接收機電路。電源只需提供足以克服各種系統(tǒng)壓降問題的電壓；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。

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

●由于信號電平最低達到4mA，從而實現(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，則接收機無法讀出電流，其表明出現(xiàn)故障，而非最低信號電平。

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


基本系統(tǒng)改進

我們可以利用多余的環(huán)路電壓，用于向接收機電路供電，否則其會在發(fā)送器被降下來。圖2顯示了一個在電流環(huán)路中插入的電源。該電源與其供電的接收機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

由于接收機電阻不再接地參考，因此可能會需要電平移動電路，以連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入。任何高端分流監(jiān)測器（例如：TI INA138等）都可提供這種極為簡單的電路。這些器件對共模電壓的小檢測電阻壓降進行測量，從而降低接收機電阻的必要壓降。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。

這種電源通常會提供經(jīng)過穩(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備供電。例如，來自TI MSP430TM平臺的微處理器，其對接收數(shù)據(jù)進行檢查，然后做出決策；來自TI CC430系列的低功耗RF器件，其將數(shù)據(jù)無線傳輸至其他地方。如果無需為特別長的電流環(huán)路購買和安接線路，從而實現(xiàn)成本節(jié)省，則無線發(fā)送器特別有用。這些器件的功耗必須非常低，因為榨取自電流環(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寬輸入電壓范圍，并且仍然提供穩(wěn)定的輸出。對這種電源而言，更困難的是通過限流電源來啟動系統(tǒng)。一般而言，啟動期間要求更高的輸出功率，對輸出電容器充電，同時為負載提供啟動電流。它遠高于正常運行時系統(tǒng)消耗的量。如果電源要在啟動期間提供這種高功率，則其輸出功率會超出電流環(huán)路提供的量。如果出現(xiàn)這種情況，進入電源的電壓會在電源關(guān)閉以前不斷下降。這樣，在重新開啟以前，其輸入電壓會再次上升，并不斷重復該過程。當電源通過這種小輸入功率工作時，啟動振蕩是我們需要克服的一個難題。

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，能夠通過非常小的輸入功率工作，并能在通過限流電源供電時避免出現(xiàn)啟動振蕩。TI的TPS62125便是一個這種電源，因為它通過一個3-17V輸入工作，僅要求11μA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)品說明書中建議的電路有三個小改動：

1、給器件輸入添加一個15V齊納二極管，以在其承受的多余環(huán)路電壓超出其17V額定值時提供保護。如果使用一個低壓電流環(huán)路系統(tǒng)，則無需使用這種二極管。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，以存儲足夠的能源，用于啟動和負載變化。根據(jù)啟動期間負載的功率需求情況，可能會不需要使用這種電容器。總計約200μF的電容，便可讓舉例負載實現(xiàn)平穩(wěn)的啟動，其在啟動時需要3.3V、50Ma的電源持續(xù)供電30ms，而啟動以后則只需要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能源，例如：溫度測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器讀取操作或者通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)。

3、對器件的使能閾值電壓進行調(diào)節(jié)，這樣器件便可在其電壓達到12V時開啟。對器件編程，讓其在輸入降至4V時關(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的開啟電壓，用于滿足系統(tǒng)的各種要求。我們假設，24V電源的變化范圍為18V到30V之間，并且電流環(huán)路壓降共計為6V最大值，從而讓器件在極端情況時承受12V的最小值。因此，我們選擇12V作為啟動電源的點，因為它是器件可能會承受的最小電壓。另外，12V最小電壓可以在開啟電壓和關(guān)閉電壓之間實現(xiàn)充分的間隔，這樣電源便在沒有啟動振蕩的情況下啟動進入高功率負載狀態(tài)。

上述電源解決方案通過TI的XTR111啟動和關(guān)閉。XTR111是一個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情況。發(fā)送器啟用以后，它便開始提供電流，其將輸入電壓升高至電源的12V開啟點。電源輸出電壓上升進入調(diào)節(jié)區(qū)域，然后立即提供50 mA的負載啟動電流。這會稍微降低電源的輸入電壓，但電源保持對輸出電壓的調(diào)節(jié)，原因是其寬電壓范圍和大容量輸入電容器。負載啟動能耗持續(xù)30ms以后，負載電流減少至穩(wěn)定狀態(tài)，即10mA電平。輸入電壓進一步上升，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

圖4顯示了圖3的放大圖。電源從大容量電容器吸取存儲的電能，以滿足啟動負載電流需求，同時電流環(huán)路始終提供低于4mA的電流。這種吸能過程，會使輸入電壓降低約2V，但對這種電源而言，這是可以接受的。

圖4：提供負載啟動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足夠的電能，然后在一個足夠?qū)挼妮斎腚妷悍秶ぷ?，以向負載提供持續(xù)的功率脈沖。圖5所示電源，每秒為負載提供持續(xù)時間100ms 的20mA電流，并且保持對電源輸出電壓進行穩(wěn)壓。