如何用MAX12900实现4-20mA发送器

4–20mA 电流环路是许多行业使用的主要过程控制信号。这是一种理想的方法 传输过程信息，因为电流在从发射器传输到接收器时不会改变。它也是 更简单且具有成本效益。但是，电压降和需要监控的过程变量数量可能会 影响其成本和复杂性。表1总结了4–20mA环路的优缺点。

 

优势	弊
许多行业的主要标准	电流回路只能传输一个过程信号
易于连接和配置	在存在大量过程变量的情况下，必须创建多个循环。如果独立回路未正确隔离，运行如此多的电线会导致接地回路出现问题
信号不会随距离而降低	随着环路数量的增加，隔离要求变得更加复杂
对噪声不太敏感	—
没有电流表示故障	—

 

所有4–20mA传感器变送器按其配置可分为三组：

2线（回路供电）4–20mA传感器变送器

3线4–20mA传感器变送器

4 线 4–20mA 传感器变送器

环路供电的 4–20mA 传感器变送器是最具成本效益和理想的解决方案，允许接收 通过2线4–20mA电流环路供电并传输数据。但是，如果传感器本身消耗超过3-4mA 4–20mA环路预算，则需要一个额外的电源，而不是与4–20mA环路电源组合。此类传感器 需要两个电源和一个 4 线连接才能连接到 PLC。3线传感器变送器是简化的 4线传感器配置版本，允许工程师通过分离4–20mA来消除一根连接线 电流（数据）回路来自电源环路，并为传感器提供足够的电力。图 1 显示了 2-、3-、 和 4 线传感器连接。表2总结了每种变送器的相对优缺点。

图1.传感器变送器连接类型。

 

	2 线	3线	4 线
优势	无需本地电源 低成本 危险区域认证	比4线便宜 更易于实施 显示器、通信 有源输出、继电器	外部电源 允许交流信号 环路电源隔离 显示器、通信 有源输出、继电器
弊	环路中的压降会导致问题 无源输出，继电器	无环路电源隔离 电源和环路路径需要注意	成本更高 更多接线 不适用于危险区域

 

使用MAX12900作为2线、3线或4线传感器

MAX12900为超低功耗、高集成度模拟前端（AFE），用于4–20mA传感器发送器。它 在一个小封装中集成了以下 10 个构建块：

宽输入电源电压低压差（LDO）稳压器

两个用于脉宽调制 （PWM） 输入的调理器电路

两个低功耗、低漂移通用运算放大器

一个宽带宽、零失调漂移运算放大器

两个诊断比较器

具有电源良好输出的上电时序控制器，可实现平稳上电

低漂移基准电压源

MAX12900的一个关键优势是，它可以转换来自不具有 专用DAC通过4–20mA环路输出为电流信号，采用2线、3线或4线配置。这相当于 超低功耗、高分辨率数模转换器，由两个PWM信号组合实现 从微控制器接收，两个调理器电路和一个采用集成低功耗OP构建的有源滤波器 放大 器。两个调理器电路的输出在整个电压、电源和温度范围内提供稳定的 PWM 幅度 变化。宽带宽放大器与分立晶体管相结合，将电压输入转换为电流 输出并允许HART和基金会现场总线H1信号调制。零偏置运算放大器和 低漂移基准电压源在很宽的温度范围内提供可忽略不计的误差。低功耗运算放大器 比较器为增强诊断功能提供了构建模块。电源轨监控，输出电流 回读、开路和故障检测是诊断功能的几个示例。所有这些功能，以及 超低功耗和高精度特性使MAX12900非常适合环路供电的智能传感器发送器。®

在本应用笔记中，我们考虑MAX12900在2线和3线工业传感器设计中的应用。

将MAX12900配置为2线（环路供电）发送器

图2给出了MAX12900如何配置为环路供电的简化框图和模型 （2线）传感器设计。对于必须在危险环境中运行的传感器，此配置是必需的，并且必须 符合ATEX指令94/9/EC，并获得IECEx认证。只有在 变送器消耗的电流小于4mA。来自微控制器的PWM信号使用以下命令进行调理 MAX12900的片内调理器可以构建低通滤波器，以使用外部RC网络滤除PWM信号 以及片内运算放大器之一。外部晶体管用于电压到电流转换。

图2.采用MAX12900的环路供电传感器框图和模型

图3显示了2线环路供电传感器的电路级实现。（在图 2 中，请注意蓝绿色块 全部集成在MAX12900中。

图3.使用MAX12900配置环路供电的4-20mA发送器

最常见的传感器类型之一是测量温度的类型。因此，接下来我们尝试设计一个温度 传感器变送器采用MAX12900和工业标准MAX31856精密热电偶数字转换器。 MAX31856与热电偶接口，并向SPI接口提供数据。还需要微控制器， 既可以从MAX31856读取数据，又为MAX12900提供两路PWM输出。MAX12900评估板 （MAX12900EVKIT）为此使用低功耗STM32L071微控制器。此设计的起点是 分析最坏情况下的功率预算（所有条件下的最高电流消耗 温度和电压）。这有助于我们确定是否可以实现 2 线、3 线或 4 线。

根据MAX12900评估板的数据资料，MAX12900与低功耗微控制器的组合 最大功耗为3.5mA。MAX31856采用3.3V电源时最大功耗为2mA。因为总功耗为 两款器件均超过4mA，无法设计2线制传感器变送器。

 

装置	电流消耗（毫安）
MAX31856	2
MAX12900 + STM32L071	3.5
总：	5.5毫安 （> 4毫安）

 

在3线制发送器中使用MAX12900

在消除了使用2线解决方案的可能性之后，我们接下来考虑实现3线解决方案的挑战 设计。第一个挑战与可用电源有关。在 3 线解决方案中，只有一个电源轨 可用电压。然而，这个24V电源（来自PLC）对于微控制器和MAX31856来说太高了，两者 采用 3.3V 电源供电。有几种方法可以解决此问题。第一种选择是使用 DC-DC 转换器，如MAX17550从+24V电源产生3.3V电源，为MAX31856供电，以及 微控制器，如图4所示。MAX17550为超小尺寸、高效率、同步降压型 DC-DC转换器可提供高达25mA的电流。2通道数字隔离器MAX12930用于隔离 传感器/MCU PWM接口与MAX12900连接。在图 4 中，虚线框内的组件是一个隔离的电源域 浮动接地与 PLC 的接地参考不同。

图4.带DC-DC转换器的3线传感器变送器。

电源问题的另一种可能解决方案是使用超低静态电流线性稳压器， MAX15006AATT+，可为传感器提供固定的3.3V电压和高达50mA的电流，如图5所示。

图5.带线性稳压器的 3 线传感器变送器。

设计中要考虑的第二个问题是变送器的“浮动接地”。传感器本身， 微控制器和MAX12900发送器必须具有公共接地才能正确通信。同时， 接地是相对于 PLC 接地的“浮动”点。“浮地”取决于传输的数据和回路 负载条件。还有几种方法可以解决这个问题。一种选择是在 微控制器和发送器，例如2通道、低功耗MAX12930（如图4所示）进行隔离 发射器的PWMA和PWMB输入。

另一种选择是使用一些有源电路，该电路持续监控并保持公共接地电平 传感器和微控制器。之所以能够实现这一选项，是因为通用运算放大器很方便，即 OP2，板载MAX12900。这种实现还需要一个n沟道小信号MOSFET、Q3和一个通用器件。 pnp 晶体管，Q4，以匹配 R 上的压降负荷和 R意义.

在12900线制发送器中使用MAX4

在展示了MAX12900如何用于2线制和3线制发送器之后，实现4线制方案是 简单明了，因为传感器和 PLC 都有单独的电源和接地回路。

结论

Maxim的MAX12900超低功耗AFE用于4–20mA发送器，具有无与伦比的灵活性， 非常适合用于带有工业控制和自动化传感器的设计，其信号需要转换为 4–20mA 电流信号。

审核编辑：郭婷