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本文介紹如何使用 LT8618（一款 100 mA 高速同步單片式降壓型開關穩壓器）而不是?LDO?穩壓器，為電流環路發送器設計緊湊型電源。評估其性能，并選擇滿足嚴格工業標準所需的組件。提供效率、啟動和紋波測試數據。
自主控制在工業和消費類應用中越來越普遍，但即使是尖端的自主解決方案也依賴于一種古老的技術：電流環路。電流環路是控制環路中無處不在的組件，它們雙向工作：它們將測量值從傳感器傳輸到可編程邏輯控制器（PLC），相反，將控制輸出從PLC傳輸到過程調制設備。
自主控制解決方案
4 mA至20 mA電流環路是主要行業標準，通過雙絞線電纜從遠程傳感器到PLC進行準確可靠的數據傳輸，簡單、長壽命、魯棒性、久經考驗的可靠長距離數據傳輸、良好的抗噪性和低實施成本使該接口非常適合長期工業過程控制和在嘈雜環境中自動監控遠程物體。傳統上，由于前面列出的許多原因，電流環路的功率通過線性穩壓器提供。與開關穩壓器相比，使用線性穩壓器的缺點是效率相對較低且電流能力有限。效率低下會導致散熱問題，有限的電流通常無法添加所需的控制系統功能。
新型高效率、高輸入電壓降壓型穩壓器堅固耐用，體積小巧，足以取代許多電流環路系統中的線性穩壓器。與線性穩壓器相比，降壓轉換器具有許多優勢，包括更高的電流能力、更寬的輸入范圍和更高的系統效率。降壓穩壓器具有顯著的性能優勢，在高開關頻率下具有較低的最小 tON 時間，從而產生緊湊、穩健的解決方案。
圖1所示的標準4 mA至20 mA電流環路可用于將來自現場儀表和控制信號的傳感器信息傳送到過程調制設備，例如閥門定位器或其他輸出執行器。它由四個組件組成：
電流回路電源：電源V直流電壓變化 （9 V直流， 12 V直流， 24 V直流等）根據應用的不同，電位至少比電路中組合元件（例如，發射器、接收器和電線）的壓降高10%。此 V直流由本地降壓穩壓器分接，為傳感器和其他組件供電。
變送器：變送器的主要部件是傳感器或換能器。它將物理信號（如溫度、壓力、電流、距離或磁場）轉換為電信號。如果轉換后的信號是模擬電壓，則需要發射器的一部分的電壓-電流轉換器將其轉換為4 mA至20 mA的電流信號。對于智能數字輸出傳感器，DAC將數字信號轉換回模擬信號。發射器中的本地電源（LDO 或降壓穩壓器）為所有這些模擬、數字和參考電路供電。
接收器或監視器：接收器將 4 mA 至 20 mA 電流信號轉換為電壓信號，可進一步處理和/或顯示。將電流信號轉換為使用電壓電平是通過高精度分流電阻R分流和/或模數轉換器或數據采集電路。在儀器終端中，本地降壓穩壓器為接收器電路供電。
2 線或 4 線回路：完整的電流回路電路可以延伸超過 2000 英尺，包括串聯連接的發射器、電源和接收器。在2線4 mA至20 mA電流環路中，電源與電流環路共享相同的環路。
圖 1.2線電流環路示意圖。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］
例如，要使用遠程壓力傳感器測量0 psi至50 psi的壓力，4 mA至20 mA電流接收器電路與壓力-電流傳感器串聯。在傳感器側，當壓力為 0 psi 時，讀數為 4 mA，當壓力為 50 psi 時，讀數為 20 mA。在接收器側，Kirchhoff第一定律告訴我們，分流電阻器上會出現相同的電流，在那里它被轉換為電壓信號。
工業、煉油廠、公路監控和消費類應用中的自主操作需要高性能傳感器技術和可靠、準確的電流環路來傳輸傳感器信息。電流環路的元件必須在 –40°C 至 +105°C 擴展的工業范圍內保持高精度、低功耗和可靠運行，并具有所需的安全性和系統功能。
在瞬變期間，變送器（傳感器）側的源電壓最高可達65 V，必須將其轉換為5 V或3.3 V。由于傳感器電路通常設計為直接從電流環路（無需額外的本地電源）獲取功率，因此通常限制為3.5 mA。隨著發射器上添加更多功能和特性，當使用傳統的線性穩壓器時，這種限制成為一個問題，因為傳統線性穩壓器無法提供任何額外的電流。此外，使用線性穩壓器的系統中的大多數功率必須在穩壓器本身中燃燒，從而在封裝系統中產生大量熱量。
LT8618將輸入范圍擴展至65 V，并將負載能力擴展至15 mA。其高效率消除了電流環路系統設計中的熱約束，其中變送器被封裝并暴露在惡劣的環境變化中。建議采用低成本濾波器來降低電壓紋波和電纜側電流紋波。本文分析了功率調節器的性能，并提供了滿足嚴格工業要求的元件選擇指南。提供效率、啟動、紋波等測試數據。
使用具有擴展輸入和負載范圍的降壓轉換器關閉電流環路
LT?8618 是一款緊湊型降壓型轉換器，具有許多功能，可滿足工業、汽車和其他不可預測的電源環境的要求。它非常適合4 mA至20 mA電流環路應用，具有超低靜態電流、高效率、寬輸入范圍、高達65 V和緊湊的尺寸。圖2所示為使用LT8618為MAX6192C高精度基準供電、電壓-電流轉換和其他電路的完整發送器電路解決方案。
分流電路2SC1623處的電流與施加在誤差放大器（EA）正輸入端的電壓成正比。2.5 V基準電壓由MAX6192C產生，MAX6192C是一款精密基準IC，具有低噪聲、低壓差和5 ppm/°C（最大值）的低溫漂移。對于具有與環境變量成比例的數字輸出的智能傳感器，DAC可以將數字信號轉換為模擬信號，并將其饋送到誤差放大器。
［I_{SHUNT}=frac{（V_{DC1}+V_{REF}）R_{12}}{R_{11}R_{SENSE}}，，，（1）］
因此，使用EA、BJT（2SC1623）和100 Ω（±0.1%）檢測電阻（RSENSE），傳感器將電流環路中的電流從4 mA調制到20 mA，其中4 mA表示帶電零點，20 mA表示最大信號。4 mA的帶電或高零點允許設備供電，即使現場變送器沒有過程信號輸出。因此，分流電路中的電流與環境變量成正比，例如壓力、溫度、液位、流量、濕度、輻射、pH 或其他過程變量。
兩根長線是信息承載電流環路的一部分，也用于從V向變送器供電直流，則接收器側的電源。V的最小電壓直流應足以覆蓋導線、分流器兩端的壓降和變送器的最小工作電壓。源電壓取決于應用，通常為12 V或24 V，但最高可達36 V。
圖 2. 以LT8618作為直流電源的電流環路。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］
在遠程發射器端子上，肖特基二極管（D1）保護發射器免受反向電流的影響。進一步的保護由放置在輸入端的齊納或TVS （D2）二極管提供，以限制瞬態電壓浪涌，瞬態電壓浪涌與電流環路的電感成正比。環路電壓由 LT8618 高效單片降壓穩壓器降壓至 5.5 V 或 3.3 V，為基準電壓源、DAC 和其他功能模塊供電。
在圖2中，V之間的導線直流發射器的范圍可以從幾英尺到2000英尺。電流環路的雜散電感與降壓穩壓器的輸入電容形成LC諧振槽。電源側的瞬變 （V直流） 也出現在遠程發射器的輸入端。對于最壞情況下的無阻尼振蕩，峰值電壓可以使VDC的峰值電壓增加一倍。例如，如果工作輸入電壓為24 V，最大規格為36 V，則發射器側的最大電壓有超過65 V的風險。
或者，也可以通過利用 LDO 穩壓器保護 LT8618 免受高電壓偏移的影響來構建高效的系統。在這種拓撲結構中，LDO穩壓器將調節到輸入減去其壓差電壓，LT8618以高效率將~24 V轉換為5 V或3.3 V。LDO穩壓器的電流限值應設置為低于典型的3.8 mA，同時保持高效率，LT8618的輸入電容器基本上也可用作去耦和儲能電容器。這將在下游實現短時間的高負載突發，電流環路中的電流消耗最小或沒有電流消耗。由于高壓偏移很短，通常承載的總能量很少，因此在這些瞬變期間，LDO穩壓器中產生的功率損耗不會影響整體效率。也就是說，LDO穩壓器幾乎所有時間都處于高降壓比。
典型的電流環路限制為整個遠程發射器供電的電源電路的輸入電流，來自LDO穩壓器的可用負載電流不能超過此輸入電流限制。另一方面，降壓穩壓器可以乘以提供給負載的輸入電流。圖3顯示了LT8618穩壓器的輸出電流與輸入電流的關系，用于24 V輸入至5.5 V轉換。對于3.8 mA的輸入電流限制，輸出電流幾乎為15 mA。這種額外的功率通過增加操作余量和啟用額外的功能塊來簡化系統設計人員的工作。
圖 3.輸出電流與輸入電流的關系，V在= 24 V， V外= 5.5 V. 圖片由Bodo的電力系統提供 ［PDF］
突發模式操作提高了在纖巧負載條件下的效率
LDO穩壓器的效率與降壓比（V外/五在），當輸入電壓略高于輸出時，可以有效。在效率非常低的高降壓比下，問題就出現了，從而對系統產生顯著的熱應力。例如，輸入為55 V，輸出為3.3 V時，LDO穩壓器的功率損耗為0.19 W，負載電流為3.8 mA。相比之下，設計合理的降壓穩壓器在高降壓比下可以非常高效。此外，同步降壓型穩壓器可通過用?MOSFET?取代笆禾二極管來提高效率。同步降壓轉換器的挑戰是優化整個負載范圍內的效率，特別是在3 mA至15 mA的輕負載下，當輸入可高達65 V時。
對于典型的同步降壓轉換器，三種功率損耗占主導地位：開關損耗、柵極驅動損耗以及與轉換器IC控制器邏輯電路相關的損耗。如果開關頻率降低，開關和柵極驅動損耗可以顯著降低，因此只需以低頻運行轉換器，即可降低輕負載時的開關損耗和柵極損耗。
在輕負載時，邏輯電路的偏置損耗與相對較低的開關相關損耗相當。偏置電路通常由輸出供電，僅在啟動和其他瞬態條件下通過內部LDO穩壓器從輸入獲取功率。
在輕負載條件下，LT8618 通過在突發模式下?工作來解決邏輯電路損耗問題，其中電流以短脈沖形式傳遞到輸出電容器，然后是相對較長的休眠周期，其中大多數邏輯控制電路被關斷。
為了進一步提高輕負載時的效率，最好使用更大值的電感器，因為在短開關脈沖期間，可以向輸出提供更多的能量，并且降壓穩壓器可以在這些脈沖之間保持更長時間的休眠模式。通過最大限度地延長脈沖之間的時間并最小化每個短脈沖的開關損耗，LT8618的靜態電流可以小于2.5 μA，同時在高達60 V的輸入下保持輸出調節。由于許多發送器電路大部分時間都消耗低電流，因此與典型的降壓（功耗為數十或數百μA）相比，這種低靜態電流可顯著節省能源。
圖4顯示了圖2所示電流環路解決方案的效率，其中5.5 VOUT輸出軌連接到LT8618的BIAS引腳。在100 mA滿載時，峰值效率達到87%，輸入為28 V，電感為82 μH。對于相同的28 V輸入，10 mA負載效率等于或高于77%，可以說更令人印象深刻。
圖 4.LT8618 在輕負載、V 條件下的高效率在= 28 V， V外= 5.5 V， L = 82 μH. 使用的圖像由Bodo的電力系統提供 ［PDF］
輸入濾波器可限制浪涌電流和電流環路紋波
功率調節器的輸入連接到電流環路，因此除了穩態電流限制外，在啟動或負載瞬變期間限制紋波電流和浪涌電流也很重要。電源轉換器啟動期間的浪涌電流取決于給定軟啟動時間內輸入和輸出電容器的大小。這就是權衡：最小化輸入電容以防止大浪涌電流，同時使其足夠大以保持可接受的低紋波。
降壓轉換器的輸入電流是脈沖的;因此，輸入電容在為紋波電流提供濾波路徑方面起著關鍵作用。如果沒有該電容，大量的紋波電流將流過長電流環路，導致降壓表現不可預測。因此，最小輸入電容滿足紋波電流和紋波電壓要求。多層陶瓷電容器（MLCC）由于其低ESR和ESL，在紋波電流方面具有最佳性能。
當轉換器在突發模式下工作時，電感電流遵循一個三角形波形。電流環路的阻抗遠高于輸入濾波器。因此，輸入電容器兩端的紋波電壓可以通過以下公式估計，忽略電容器的ESR和ESL，其中IPEAK是降壓電感中的突發電流，VR是輸入電容器兩端的紋波電壓（顯然，更高的突發電流需要更大的電容）：
［C=frac{I^{2}_{PEAK}L}{2V_{R}V_{IN}}，，，（2）］
為了最大限度地降低輸入電壓紋波，同時保持輸入電容盡可能小，我們更喜歡較小的降壓電感。然而，使用大電感器時，突發模式效率更好。對于82 μH電感和1 V紋波，為避免在任何最小輸入實例下觸發UVLO，100 nF輸入電容足以滿足使用LT8618的此應用。
大部分紋波電流通過局部去耦電容，剩余部分與電流環路共享相同的路徑。保持電纜側的電流紋波較小非常重要，因為它將作為電壓紋波出現在分流檢測電阻的兩端，并且電壓紋波的大小需要小于讀取分流檢測電阻兩端電壓的ADC的分辨率規格。電流紋波可以通過額外的濾波器進一步降低。RC濾波器是一個很好的設計權衡，因為輸入電流很小，而且與LC濾波器相比成本較低。通過兩級或三級聯的RC濾波器可以進一步實現更小的紋波電流。
LTspice?仿真允許我們比較三種不同輸入濾波器結構的源電纜側的電流紋波，輸入路徑中串聯的總電阻為100 Ω，使用V型LT8618在= 28 V 和 V外= 5.5 V，82 μH電感。電流脈沖相當于輸入濾波器在10 mA輸出電流下看到的LT8618穩壓器的輸入電流。
具有100 Ω和100 nF的單級RC濾波器在源電纜側的峰峰值紋波超過60 μA。源電纜側的紋波電流隨著電容的增加或濾波級的級聯而變小。鑒于降壓穩壓器在使用較大的直接輸入電容器時性能更好，并且2級RC濾波器的BOM比3級濾波器更小，同時在源電纜側提供相似的電流紋波，因此我們建議使用每級50 Ω和47 nF的2級濾波器。源電纜側紋波電流約為30 μA，相應地，它在250 Ω分流電阻上產生約7.5 mV的紋波電壓，這對于8位分辨率ADC來說幾乎足夠了。為了進一步降低電纜側紋波電流，可以在濾波器中使用更大的電容。例如，如果用100 nF電容代替47 nF電容，則電纜側紋波電流可以降至僅7 μA，相當于1.75 mV的紋波電壓。
圖 5.電流環路源側的電流紋波。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］
在典型的電流環路應用中，客戶會在啟動期間指定一個電流限制（例如3.2 mA），但可能超過此限制的指定短時間除外。在降壓轉換器中，通常會產生高浪涌電流來對輸入電容器進行充電。輸入濾波器的功能有兩個方面：除了限制電纜源側的紋波電流外，它還有助于限制啟動浪涌電流。圖6顯示了使用2級輸入濾波器的啟動行為期間輸入電流隨時間變化的變化，輸入V在24 V，輸出側負載電流為4 mA。
圖 6.帶輸入濾波器的啟動電流以限制浪涌電流（從頂部：輸入電壓 20 V/div、輸出電壓 5 V/div、使能、電纜側輸入電流、10 mA/div）。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］
電流環路的關鍵要點
電流環路廣泛用于工業和汽車系統，以收集信息并將其從傳感器傳輸到控制系統，有時通過相對較長的電線。相反，環路將控制器輸出和調制指令傳輸到遠程執行器和其他設備。通過改善電流環路中的電源，特別是用高效降壓穩壓器取代傳統上使用的線性穩壓器，可以顯著提高效率和性能，這也增加了電流能力并擴大了輸入范圍。高效率、高輸入電壓穩壓器采用微型封裝，最小導通時間短，因此可以生產出緊湊的整體解決方案，其尺寸和穩健性可與LDO穩壓器解決方案相媲美。本文介紹了如何在4 mA至20 mA電流環路變送器中使用LT8618，以滿足嚴格的工業要求。
