【導讀】自動化控製在工業和消費類應用中越來越普遍，但即使是一流的自動化解決方案，也要依賴一種古老的技術：電流環路。電流環路是控製環路中普遍存在的組件，可以雙向工作：它們將測量結果從傳感器傳遞給可編程邏輯控製器(PLC)，反之，也可將控製輸出從PLC傳遞給工藝調製裝置。

4 mA至20 mA的電流環路是通過雙絞線將數據從遠程傳感器準確可靠地傳輸至PLC的主流行業標準方法。簡單、耐用

、堅固、成熟可靠的長距離數據傳輸、良(liang)好(hao)的(de)抗(kang)噪(zao)性(xing)和(he)低(di)安(an)裝(zhuang)成(cheng)本(ben)，使(shi)這(zhe)種(zhong)接(jie)口(kou)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)工(gong)業(ye)工(gong)藝(yi)控(kong)製(zhi)和(he)在(zai)嘈(cao)雜(za)環(huan)境(jing)下(xia)對(dui)遠(yuan)程(cheng)物(wu)體(ti)進(jin)行(xing)自(zi)動(dong)監(jian)測(ce)。傳(chuan)統(tong)上(shang)
，由(you)於(yu)前(qian)麵(mian)提(ti)到(dao)的(de)諸(zhu)多(duo)原(yuan)因(yin)
，電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)的(de)電(dian)源(yuan)是(shi)通(tong)過(guo)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)提(ti)供(gong)的(de)。與(yu)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)相(xiang)比(bi)，使(shi)用(yong)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)缺(que)點(dian)是(shi)效(xiao)率(lv)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)，電(dian)流(liu)容(rong)量(liang)有(you)限(xian)。效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)會(hui)導(dao)致(zhi)散(san)熱(re)問(wen)題(ti)，而(er)有(you)限(xian)的(de)電(dian)流(liu)往(wang)往(wang)會(hui)妨(fang)礙(ai)添(tian)加(jia)所(suo)需(xu)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)。

新型高效、高輸入電壓降壓穩壓器足夠堅固、足夠小巧，可替代很多電流環路係統中的線性穩壓器。與線性穩壓器相比，降壓穩壓器有很多優點，包括電流容量更高
、輸入範圍更寬、係統效率更高。降壓穩壓器具有明顯的性能優勢，在高開關頻率下的t_ON時間較短
，有助於提供緊湊、魯棒的解決方案。

背景知識

圖1所示的標準4 mA至20 mA電流環路可用於將現場儀器儀表的傳感器信息和控製信號傳輸至工藝調製裝置，如閥門定位器或其它輸出執行器。它由四個部分組成：

●    電流環路電源：電源電壓V_DC根據應用有所不同（9 V_DC、12 V_DC、24 V_DC等）
，電位至少比電路中組合部件（如發送器、接收器和導線）的壓降高10%。該VDC由本地降壓型穩壓器分接，為傳感器和其它部件供電。

●    發送器：發送器的主要部件是傳感器或變換器。它將溫度
、壓力、電流
、距離或磁場等物理信號轉換為電信號。如果轉換後的信號是模擬電壓
，則需要一個電壓-電流轉換器作為發送器的一部分，將電壓轉換為4 mA至20 mA的電流信號。對於智能數字輸出傳感器

，則通過DAC將數字信號轉換回模擬信號。發送器LDO或降壓型穩壓器中的本地電源為所有這些模擬
、數字和參考電路供電。

●    接收器或監控器：接收器將4 mA至20 mA的電流信號轉換為電壓信號，可以進一步處理和/或顯示。電流信號通過高精度分路電阻器R_SHUNT和/或模數轉換器或數據采集電路
，轉換為有用的電壓電平。在儀表終端，本地降壓型穩壓器為接收器電路供電。

●    2線或4線環路：完整的電流環路電路可延伸2000英尺以上，由串聯的發送器、電源和接收器組成。在2線4 mA至20 mA電流環路中

，電源與電流環路共用同一環路。

圖1.2線電流環路示意圖。

例如
，要使用遠程壓力傳感器測量0 psi至50 psi的壓力，那麼4 mA至20 mA電流接收器電路與壓力-電流變換器串聯。在傳感器端，壓力為0 psi時讀數為4 mA
，壓力為50 psi時讀數為20 mA。在接收器端，從基爾霍夫第一定律可以知道，分路電阻器上會出現相同的電流，並將其轉換為電壓信號。

工業、煉油廠、公路監控和消費類應用中的自動化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。電流環路的組件必須在擴展的–40°C至+105°C工業溫度範圍內保持高精度
、低功耗和可靠運行，並具備必要的安全性和係統功能。

發送器（傳感器）一側的電源電壓在瞬態時可高達65 V，必須將其轉換至5 V或3.3 V。由於傳感器電路通常設計為直接從電流環路取電（沒有額外的本地電源），因此通常限製在3.5 mA。隨sui著zhe發fa送song器qi功gong能neng特te性xing的de增zeng加jia，當dang使shi用yong傳chuan統tong線xian性xing穩wen壓ya器qi時shi，這zhe個ge限xian製zhi就jiu成cheng了le一yi個ge問wen題ti，因yin為wei它ta不bu能neng提ti供gong任ren何he額e外wai的de電dian流liu。此ci外wai，在zai使shi用yong線xian性xing穩wen壓ya器qi的de係xi統tong中zhong

，大da部bu分fen電dian量liang必bi須xu在zai穩wen壓ya器qi中zhong消xiao耗hao掉diao，從cong而er在zai封feng裝zhuang係xi統tong中zhong產chan生sheng大da量liang熱re量liang。

LT8618將輸入範圍擴大到65 V，並將負載能力擴大到15 mA。在zai發fa射she器qi被bei封feng裝zhuang並bing暴bao露lu在zai惡e劣lie的de環huan境jing變bian化hua中zhong的de情qing況kuang下xia，它ta的de高gao效xiao率lv消xiao除chu了le電dian流liu環huan路lu係xi統tong設she計ji中zhong的de熱re約yue束shu。建jian議yi使shi用yong一yi個ge低di成cheng本ben的de濾lv波bo器qi來lai減jian少shao電dian壓ya紋wen波bo和he電dian纜lan側ce的de電dian流liu紋wen波bo。本ben文wen分fen析xi了le功gong率lv調tiao節jie器qi的de性xing能neng，並bing提ti供gong了le元yuan件jian選xuan型xing指zhi南nan
，以yi滿man足zu嚴yan格ge的de工gong業ye要yao求qiu。此ci外wai還hai提ti供gong了le效xiao率lv、啟動、紋波等測試數據。

使用具有擴展輸入和負載範圍的降壓轉換器閉合電流環路

LT8618是一款緊湊型降壓轉換器

，具有眾多功能，可滿足工業、汽車及其它不可預測的電源環境的要求。它非常適合4 mA至20 mA的電流環路應用，具有超低靜態電流
、高效率
、寬輸入範圍、高達65 V的電壓和緊湊的尺寸。圖2顯示了一個完整的發送器電路解決方案
，它使用LT8618為MAX6192C高精度電壓基準
、電壓-電流轉換以及其它電路供電。

分流電路2SC1623的電流與誤差放大器(EA)正輸入端施加的電壓成正比。2.5 V的基準電壓由MAX6192C產生。MAX6192C是一款精密的基準電壓源IC
，具有低噪聲、低壓降和最大5 ppm/°C的低溫度漂移。對於數字輸出與環境變量成比例的智能傳感器，DAC可以將數字信號轉換為模擬信號，並將其發送至誤差放大器。

因此
，通過EA、BJT（2SC1623）和100Ω（±0.1%）檢測電阻(RSENSE)，變換器可將電流環路中的電流從4 mA調製到20 mA
，其中4 mA表示非零最小輸出，20 mA表示最大信號。即使現場發送器沒有過程信號輸出，4 mA的非零最小輸出或零值以上輸出也可以為設備供電。因此，分流電路中的電流與環境變量成正比
，比如壓力、溫度、液位、流量
、濕度


、輻射、pH值或其它工藝變量。

兩根長導線是信息承載電流環路的一部分
，也用於從V_DC（接收器側的電源）向發送器供電。V_DC的最小電壓應足以覆蓋導線、分路和發送器的最小工作電壓之間的壓降。電源電壓取決於應用



，通常為12 V或24 V，但也可高達 36V。

在遠程發送器終端，肖特基二極管(D1)可保護發送器免受反向電流的影響。在輸入端放置一個齊納二極管或TVS (D2)二極管可提供進一步的保護，從而限製與電流環路電感成正比的瞬態電壓浪湧。LT8618高效單片降壓穩壓器將環路電壓降低至5.5 V或3.3 V
，為基準、DAC以及其它功能單元供電。

在圖2中
，V_DC和發送器之間的接線可以從幾英尺到2000英尺不等。電流環路的雜散電感與降壓穩壓器的輸入電容形成一個LC諧振槽。電源側(V_DC)的瞬態也出現在遠程發送器的輸入側。對於最壞情況下的無阻尼振蕩，峰值電壓可能是V_DC的兩倍。例如，如果工作輸入電壓的典型值為24 V，最大規格值為36 V，那麼發送器側的最大電壓就有可能超過65 V。如圖2所示，可以使用發送器前麵的TVS二極管D2輕鬆地實現保護，以限製瞬態期間的任何浪湧。

圖2.以LT8618作為直流電源的電流環路。

另外，還可以通過使用LDO穩壓器保護LT8618免受高電壓偏移的影響，從而構建一個高效的係統。在這種拓撲結構中，LDO穩壓器將調節到輸入電壓減去其壓差，而LT8618則以高效率將~24 V轉換為5 V或3.3 V。LDO穩壓器的限流值應設置在通常的3.8 mA以下，同時還要保持高效率，並且LT8618deshurudianrongjibenshanghuishiyongquoudianronghechunengdianrong。zhejiangzhichizaidianliuhuanludianliuxiaohaozuixiaohuowudianliuxiaohaodeqingkuangxia
，zaihouduanduanshijianbaofagaofuzai。youyugaoyapianyibijiaoduan
，tongchangxiedaidezongnengliangjiaoshao
，yincizaizhexieshunbianqijian
，LDO穩壓器中產生的功率損失不會影響整體效率；也就是說
，LDO穩壓器幾乎所有時間都處於高降壓比之下。

典型的電流環路會限製為整個遠程發送器供電的電源電路的輸入電流，LDO穩壓器的可用負載電流不能超過該輸入限流值。另一方麵，降壓穩壓器可以使提供給負載的輸入電流成倍增加。圖3顯示了從24 V輸入電壓轉換為5.5 V輸出時LT8618穩壓器的輸出電流與輸入電流的關係。對於3.8 mA的輸入限流值
，輸出電流差不多為15 mA。這部分額外的電力可增加操作餘量和啟用額外功能單元
，簡化了係統設計人員的工作。

圖3.輸出電流與輸入電流的關係，V_IN= 24 V，V_OUT = 5.5 V

突發模式運行可提高輕載時的效率

LDO穩壓器的效率與降壓比(V_OUT/V_IN)成(cheng)正(zheng)比(bi)，當(dang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)略(lve)高(gao)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)時(shi)
，效(xiao)率(lv)會(hui)很(hen)高(gao)。降(jiang)壓(ya)比(bi)偏(pian)高(gao)時(shi)會(hui)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)，此(ci)時(shi)效(xiao)率(lv)非(fei)常(chang)低(di)，會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)熱(re)應(ying)力(li)。例(li)如(ru)


，當(dang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)為(wei)55 V，輸出電壓為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
，設計合理的降壓型穩壓器在高降壓比下卻可以非常高效。此外，與非同步穩壓器相比，同步降壓型穩壓器可以用MOSFET取代續流二極管
，從而提高效率。同步降壓轉換器麵臨的挑戰是在整個負載範圍內優化效率
，特別是在3 mA至15 mA的輕負載下

，此時輸入電壓可高達65 V。

對於一個典型的同步降壓轉換器
，主要有三種功率損耗：開關損耗、柵極驅動損耗以及與轉換器ICkongzhiqiluojidianluxiangguandesunhao。ruguojiangdikaiguanpinlv，keyidadajianshaokaiguanhezhajiqudongsunhao，yincizhiyaoyidipinlvyunxingzhuanhuanqi，jiukeyijianshaoqingzaishidekaiguanhezhajisunhao。

在輕載下，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端供電
，僅在啟動和其它瞬態條件下通過內部LDO穩壓器從輸入端取電。LT8618通過運行突發模式(Burst Mode®)laijiejueluojidianlusunhaowenti。zheshi，dianliuyiduanmaichongdexingshichuandidaoshuchudianrong，ranhoujinruxiangduijiaochangdexiumianqi，zaiciqijian
，daduoshuluojikongzhidianluguanbi。

為wei了le提ti高gao輕qing載zai效xiao率lv
，可ke選xuan用yong更geng大da值zhi的de電dian感gan，因yin為wei在zai短duan開kai關guan脈mai衝chong期qi間jian可ke以yi將jiang更geng多duo能neng量liang傳chuan送song到dao輸shu出chu，降jiang壓ya穩wen壓ya器qi也ye可ke在zai這zhe些xie脈mai衝chong之zhi間jian更geng長chang時shi間jian地di保bao持chi休xiu眠mian模mo式shi。通tong過guo盡jin可ke能neng地di延yan長chang脈mai衝chong之zhi間jian的de時shi間jian，並bing盡jin量liang減jian少shao每mei個ge短duan脈mai衝chong的de開kai關guan損sun耗hao，LT8618的靜態電流可低於2.5 μA，同時在輸入電壓高達60 V的情況下保持穩壓輸出。由於很多發送器電路大多數時候的電流都比較低，與電流消耗高達數十或數百μA的典型降壓穩壓器相比
，這種低靜態電流節省了大量能源。

圖4顯示了圖2所示的電流環路解決方案的效率，其中5.5 V_OUT輸出軌與LT8618的BIAS引腳相連。在100 mA滿負荷的情況下

，峰值效率達到87%，輸入電壓為28 V，電感為82 µH。在同樣的28 V輸入電壓下，10 mA負載時的效率可達到或超過77%，表現出眾。

圖4.LT8618在輕載時的高效率
，V_IN = 28 V，V_OUT = 5.5 V
，L = 82 µH。

用於限製衝擊電流和電流環路紋波的輸入濾波器

功(gong)率(lv)調(tiao)節(jie)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)與(yu)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)相(xiang)連(lian)，因(yin)此(ci)

，除(chu)了(le)穩(wen)態(tai)限(xian)流(liu)外(wai)，在(zai)啟(qi)動(dong)或(huo)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)期(qi)間(jian)限(xian)製(zhi)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)和(he)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)也(ye)很(hen)重(zhong)要(yao)。功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)啟(qi)動(dong)期(qi)間(jian)的(de)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)取(qu)決(jue)於(yu)給(gei)定(ding)軟(ruan)啟(qi)動(dong)時(shi)間(jian)內(nei)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)的(de)大(da)小(xiao)。這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)權(quan)衡(heng)取(qu)舍(she)：盡量減小輸入電容，防止產生大的衝擊電流

，同時又要使其足夠大，以保持可接受的低紋波。

jiangyaxingzhuanhuanqideshurudianliushimaichongdianliu
，yinci，shurudianrongzaiweiwenbodianliutigonglvbolujingfangmianqizheguanjianzuoyong。ruguomeiyouzhegedianrong，daliangdewenbodianliujiangliujingjiaochangdedianliuhuanlu
，daozhijiangyaxingweibukeyuce。yinci
，yingdangyouyigezuixiaodeshurudianrongkeyimanzuwenbodianliuhewenbodianyadeyaoqiu。duocengtaocidianrong(MLCC)由於其低ESR和ESL
，在紋波電流方麵性能優異。

當(dang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)在(zai)突(tu)發(fa)模(mo)式(shi)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)
，電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)遵(zun)循(xun)三(san)角(jiao)形(xing)波(bo)形(xing)。電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)的(de)阻(zu)抗(kang)比(bi)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)器(qi)高(gao)得(de)多(duo)。因(yin)此(ci)

，輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)上(shang)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)可(ke)通(tong)過(guo)下(xia)麵(mian)的(de)等(deng)式(shi)來(lai)估(gu)算(suan)
，忽(hu)略(lve)電(dian)容(rong)的(de)ESR和ESL
，其中I_PEAK是降壓電感中的衝擊電流，V_R是輸入電容上的紋波電壓（顯然，更高的衝擊電流需要更大的電容）：

為wei了le盡jin量liang減jian少shao輸shu入ru電dian壓ya紋wen波bo
，同tong時shi保bao持chi盡jin可ke能neng小xiao的de輸shu入ru電dian容rong，我wo們men傾qing向xiang於yu采cai用yong較jiao小xiao的de降jiang壓ya電dian感gan。然ran而er
，采cai用yong大da電dian感gan時shi，突tu發fa模mo式shi的de效xiao率lv會hui更geng高gao。對dui於yu82 µH電感和1 V紋波
，為了避免在任何最小輸入情況下觸發UVLO，對於使用LT8618的應用，100 nF輸入電容就足夠了。

大(da)部(bu)分(fen)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)經(jing)過(guo)本(ben)地(di)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)
，而(er)剩(sheng)餘(yu)部(bu)分(fen)與(yu)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)共(gong)享(xiang)相(xiang)同(tong)的(de)路(lu)徑(jing)。在(zai)電(dian)纜(lan)側(ce)保(bao)持(chi)較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)很(hen)重(zhong)要(yao)


，因(yin)為(wei)它(ta)將(jiang)作(zuo)為(wei)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)出(chu)現(xian)在(zai)檢(jian)流(liu)電(dian)阻(zu)上(shang)，並(bing)且(qie)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)的(de)幅(fu)度(du)需(xu)要(yao)小(xiao)於(yu)ADC讀取檢流電阻電壓的分辨率規格。電流紋波可以通過額外的濾波器進一步減少。RC濾波器是一種很好的設計折衷方案，因為它的輸入電流很小
，並且與LC濾波器相比成本較低。使用兩級或三級級聯RC濾波器可以進一步實現更小的紋波電流。

通過LTspice®仿真
，我們可以比較三種不同輸入濾波器結構在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LT8618（V_IN = 28 V
，V_OUT = 5.5 V）以及82 µH電感。電流脈衝相當於被輸入濾波器視為LT8618穩壓器輸入電流的值，此時輸出電流為10 mA。

具有100 Ω和100 nF的單級RC濾波器在源電纜側具有超過60 µA的(de)峰(feng)峰(feng)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)。如(ru)果(guo)增(zeng)加(jia)電(dian)容(rong)或(huo)級(ji)聯(lian)濾(lv)波(bo)級(ji)
，源(yuan)電(dian)纜(lan)側(ce)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)會(hui)變(bian)小(xiao)。考(kao)慮(lv)到(dao)降(jiang)壓(ya)型(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)使(shi)用(yong)更(geng)大(da)的(de)直(zhi)接(jie)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)時(shi)性(xing)能(neng)更(geng)好(hao)，並(bing)且(qie)兩(liang)級(ji)RC濾波器的BOM比三級小
，同時源電纜側的電流紋波類似
，我們建議使用兩級濾波器，每級選用50 Ω電阻和47 nF電容。源電纜側的紋波電流約為30 μA，相應地在250 Ω檢流電阻上可產生大約7.5 mV的紋波電壓，這對8位分辨率的ADC來說差不多足夠了。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，如果將47 nF電容替換為100 nF的電容
，電纜側紋波電流可降低至僅7 µA，相應的紋波電壓為1.75 mV。

圖5.電流環路電源側的電流紋波。

在典型的電流環路應用中，客戶會指定啟動期間的限流值（例如，3.2 mA）
，但dan在zai指zhi定ding的de短duan時shi間jian內nei可ke以yi超chao過guo這zhe個ge限xian值zhi。在zai降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi中zhong，通tong常chang會hui產chan生sheng高gao衝chong擊ji電dian流liu
，用yong於yu給gei輸shu入ru電dian容rong充chong電dian。輸shu入ru濾lv波bo器qi的de功gong能neng有you兩liang方fang麵mian：除了限製電纜源側的紋波電流外
，它還有助於限製啟動時的衝擊電流。圖6顯示了輸入電壓V_IN為24 V、輸出側負載電流為4 mA時
，兩級輸入濾波器啟動期間的輸入電流隨時間的變化。

圖6.使用輸入濾波器時的啟動電流，用於限製衝擊電流（從上部開始：輸入電壓20 V/div，輸出電壓5 V/div，啟用，電纜側的輸入電流，10 mA/div）

結論

電dian流liu環huan路lu廣guang泛fan應ying用yong於yu工gong業ye和he汽qi車che係xi統tong中zhong，用yong於yu收shou集ji傳chuan感gan器qi信xin息xi並bing將jiang其qi傳chuan輸shu到dao控kong製zhi係xi統tong，有you時shi要yao經jing過guo相xiang對dui較jiao長chang的de電dian線xian傳chuan輸shu。反fan之zhi
，環huan路lu將jiang控kong製zhi器qi輸shu出chu和he調tiao製zhi指zhi令ling傳chuan輸shu到dao遠yuan程cheng執zhi行xing器qi和he其qi它ta設she備bei。通tong過guo改gai進jin電dian流liu環huan路lu中zhong的de電dian源yuan
，尤you其qi是shi用yong高gao效xiao降jiang壓ya型xing穩wen壓ya器qi取qu代dai傳chuan統tong的de線xian性xing穩wen壓ya器qi
，可ke以yi顯xian著zhu提ti高gao效xiao率lv和he性xing能neng，也ye可ke以yi增zeng強qiang電dian流liu能neng力li並bing擴kuo大da輸shu入ru範fan圍wei。高gao效xiao率lv、高輸入電壓的穩壓器采用小型封裝，具有較低的最小導通時間，可以實現緊湊的整體解決方案，其尺寸和魯棒性可與LDO穩壓器解決方案相媲美。本文介紹如何在4 mA至20 mA的電流環路發送器中使用LT8618
，以滿足嚴格的工業要求。

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