高性能降压稳压器解决了电流环路中发射器电路的功率需求

作者：Zhongming Ye and Juan-G. Aranda

本文介绍如何使用LT8618（100 mA高速同步单芯片降压型开关稳压器（而不是LDO稳压器）为电流环路发送器设计紧凑型电源。对其性能进行评估，并选择满足严格工业标准所需的组件。提供效率、启动和纹波测试数据。

介绍

自主控制在工业和消费应用中越来越普遍，但即使是尖端的自主解决方案也依赖于一种古老的技术：电流环路。电流环路是双向工作控制环路中无处不在的组件：它们将测量值从传感器传输到可编程逻辑控制器（PLC），反过来将PLC的控制输出传送到过程调制设备。

4 mA 至 20 mA 电流环路是通过双绞线电缆将数据从远程传感器精确可靠地传输到 PLC 的主要行业标准。 简单、长寿命、坚固性、久经考验的可靠长距离数据传输、良好的抗噪性和低实施成本使该接口非常适合长期工业过程控制和嘈杂环境中远程对象的自动监控。传统上，电流环路的电源通过线性稳压器提供，原因有很多。与开关稳压器相比，使用线性稳压器的缺点是效率相对低下且电流能力有限。效率低下会导致散热问题，而有限的电流通常会妨碍添加所需的控制系统功能。

新型高效率、高输入电压降压稳压器坚固耐用且体积小，足以取代许多电流环路系统中的线性稳压器。与线性稳压器相比，降压稳压器具有许多优势，包括更高的电流能力、更宽的输入范围和更高的系统效率。降压稳压器具有显著的性能优势，其最小值较低上在高开关频率下的时间，产生紧凑、坚固的解决方案。

背景

图1所示的标准4 mA至20 mA电流环路可用于将现场仪表的传感器信息和控制信号传输到过程调制设备，例如阀门定位器或其他输出执行器。它由四个组件组成：

电流回路电源：电源V直流电压变化（9 V直流， 12 V直流， 24 V直流等）根据应用的不同，电位至少比电路中组合元件（例如发射器、接收器和电线）的压降高 10%。这个V直流由本地降压稳压器分接，为传感器和其他组件供电。

变送器：变送器的主要部件是传感器或换能器。它将物理信号（如温度、压力、电流、距离或磁场）转换为电信号。如果转换后的信号是模拟电压，则需要作为变送器一部分的电压-电流转换器将其转换为4 mA至20 mA电流信号。对于智能数字输出传感器，DAC将数字信号转换回模拟信号。发射器中的本地电源（LDO或降压稳压器）为所有这些模拟、数字和基准电路供电。

接收器或监视器：接收器将4 mA至20 mA电流信号转换为电压信号，可以进一步处理和/或显示。电流信号通过高精度分流电阻器R转换为有用的电压电平分流和/或模数转换器或数据采集电路。在仪器端子中，本地降压稳压器为接收器电路供电。

2 线或 4 线环路：完整的电流环路可以延伸超过 2000 英尺，由串联的发射器、电源和接收器组成。在2线4 mA至20 mA电流环路中，电源与电流环路共享同一环路。

图1.2线电流环路示意图。

例如，要使用远程压力传感器测量 0 psi 至 50 psi 的压力，4 mA 至 20 mA 电流接收器电路与压力-电流传感器串联。在传感器侧，当压力为 0 psi 时，读数为 4 mA，当压力为 50 psi 时，读数为 20 mA。在接收器侧，基尔霍夫第一定律告诉我们，分流电阻器上出现相同的电流，并将其转换为电压信号。

工业、炼油厂、高速公路监控和消费类应用中的自主操作需要高性能传感器技术和可靠、准确的电流环路来传输传感器信息。电流环路的组件必须在–40°C至+105°C的扩展工业范围内保持高精度、低功耗和可靠的工作，并具有所需的安全性和系统特性。

在瞬态期间，发射器（传感器）侧的源电压最高可达65 V，必须转换为5 V或3.3 V。由于传感器电路通常设计为直接从电流环路获取功率（无需额外的本地电源），因此通常限制为3.5 mA。随着变送器上增加更多的功能和特性，当使用传统的线性稳压器时，这个限制成为一个问题，因为传统的线性稳压器无法提供任何额外的电流。此外，使用线性稳压器的系统中的大部分功率必须在稳压器本身中燃烧，从而在封装系统中产生大量热量。

LT8618将输入范围扩展至65 V，并将负载能力扩展至15 mA。其高效率消除了电流环路系统设计的热约束，在电流环路系统设计中，变送器被封装并暴露在恶劣的环境变化中。该文提出一种低成本滤波器来降低电压纹波和电缆侧电流纹波。本文分析了功率稳压器的性能，并提供了满足严格工业要求的元件选择指南。提供效率、启动、纹波等测试数据。

使用具有扩展输入和负载范围的降压转换器闭合电流环路

LT®8618 是一款紧凑型降压型转换器，具有许多功能，可满足工业、汽车和其他不可预测电源环境的要求。它非常适合 4 mA 至 20 mA 电流环路应用，具有超低静态电流、高效率、宽输入范围（高达 65 V）和紧凑尺寸。图2所示为使用LT8618为MAX6192C高精度基准、电压-电流转换和其他电路供电的完整发送器电路解决方案。

分流电路2SC1623上的电流与施加在误差放大器（EA）正输入端的电压成正比。2.5 V基准电压由MAX6192C产生，MAX6192C是一款精密基准IC，具有低噪声、低压差和5 ppm/°C （最大值）的低温度漂移。对于具有与环境变量成比例的数字输出的智能传感器，DAC可以将数字信号转换为模拟信号并将其馈送到误差放大器。

因此，对于EA、BJT （2SC1623）和100 Ω （±0.1%） 检测电阻 （R意义），传感器将电流环路中的电流从 4 mA 调制到 20 mA，其中 4 mA 表示带电零点，20 mA 表示最大信号。4 mA 的带电或高位零点允许器件即使在现场变送器没有输出过程信号的情况下也能供电。因此，分流电路中的电流与环境变量成正比，例如压力、温度、液位、流量、湿度、辐射、pH或其他过程变量。

两根长线是信息承载电流环路的一部分，也用于从V向变送器供电直流，接收器侧的电源。V的最小电压直流应足以覆盖导线、分流器和变送器的最低工作电压。源电压取决于应用，通常为12 V或24 V，但可高达36 V。

在远程变送器端子上，肖特基二极管（D1）保护变送器免受反向电流的影响。输入端的齐纳二极管或TVS （D2）二极管可提供进一步的保护，以限制瞬态电压浪涌，瞬态电压浪涌与电流环路的电感成正比。LT8618高效单芯片降压稳压器将环路电压降压至5.5 V或3.3 V，为基准电压源、DAC和其他功能块供电。

在图2中，V之间的导线直流发射器的范围可以从几英尺到 2000 英尺不等。电流环路的杂散电感与降压稳压器的输入电容形成LC谐振电路。电源侧瞬态 （V直流） 也出现在远程发射器的输入侧。对于最坏情况下的无阻尼振荡，峰值电压可以是V电压的两倍直流.例如，如果工作输入电压典型值为24 V，最大规格为36 V，则发射器侧的最大电压有超过65 V的风险。

图2.采用LT8618作为直流电源的电流环路。

或者，可以通过使用LDO稳压器保护LT8618免受高压偏移的影响来构建高效的系统。在这种拓扑中，LDO稳压器将调节至输入端减去其压差，LT8618将其~24 V转换为5 V或3.3 V，效率高。LDO稳压器的电流限值应设置为低于典型值3.8 mA，同时保持高效率，LT8618的输入电容基本上兼作去耦电容和储能电容。这将允许下游高负载的短脉冲，而电流环路中的电流消耗最小或没有。由于高压偏移时间短，通常携带的总能量很少，因此在这些瞬变期间LDO稳压器中产生的功率损耗不会损害整体效率;也就是说，LDO稳压器几乎所有时间都处于高降压比。

典型的电流环路对为整个远程发射器供电的电源电路的输入电流施加限制，并且来自LDO稳压器的可用负载电流不能超过此输入电流限制。另一方面，降压稳压器可以将提供给负载的输入电流成倍增加。图3显示了LT8618稳压器在24 V输入至5.5 V转换时的输出电流与输入电流的关系。对于3.8 mA的输入电流限制，输出电流几乎为15 mA。这种额外的功率通过增加操作余量和启用额外的功能块来简化系统设计人员的工作。

图3.输出电流与输入电流的关系，V在= 24 V， V外= 5.5 V.

突发模式操作可提高微小负载下的效率

LDO稳压器的效率与降压比（V外/V在），并且当输入电压略高于输出电压时可以提高效率。问题出现在高降压比下，效率非常低，对系统产生显著的热应力。例如，输入为55 V，输出为3.3 V时，LDO稳压器的功率损耗为0.19 W，负载电流为3.8 mA。相比之下，设计合理的降压稳压器在高降压比下可能非常高效。此外，同步降压稳压器可以通过用MOSFET代替箝位二极管来提高非同步稳压器的效率。同步降压转换器面临的挑战是优化整个负载范围内的效率，特别是在3 mA至15 mA轻负载下，当输入可能高达65 V时。

对于典型的同步降压转换器，三种功率损耗占主导地位：开关损耗、栅极驱动损耗以及与转换器IC控制器逻辑电路相关的损耗。如果开关频率降低，开关和栅极驱动损耗可以显著降低，因此只需在低频下运行转换器即可降低轻负载时的开关和栅极损耗。

在轻负载下，逻辑电路的偏置损耗与相对较低的开关相关损耗相当。偏置电路通常由输出供电，仅在启动和其他瞬态条件下通过内部LDO稳压器从输入端获取电源。

在轻负载条件下，LT8618 通过在突发模式下工作来解决逻辑电路损耗问题，在突发模式下，电流以短脉冲形式输送到输出电容器，然后是相对较长的休眠期，其中大多数逻辑控制电路都关断。®

为了进一步提高轻负载下的效率，首选更大值的电感器，因为在短开关脉冲期间可以向输出输送更多能量，并且降压稳压器可以在这些脉冲之间保持更长时间的睡眠模式。通过最大限度地延长脉冲之间的时间，并最大限度地降低每个短脉冲的开关损耗，LT8618的静态电流可以小于2.5 μA，同时保持输出在高达60 V的输入调节状态。由于许多发送器电路大部分时间都消耗低电流，因此这种低静态电流比典型的降压电路要节能得多，后者消耗数十或数百μA。

图4显示了图2所示电流环路解决方案的效率，电压为5.5 V外输出轨连接到LT8618的偏置引脚。在全100 mA负载、28 V输入和82 μH电感下，峰值效率达到87%。对于相同的28 V输入，10 mA负载效率等于或高于77%，可以说更令人印象深刻。

图4.LT8618 轻负载时的高效率，V在= 28 V， V外= 5.5 V， L = 82 μH.

用于限制浪涌电流和电流环路纹波的输入滤波器

功率稳压器的输入连接到电流环路，因此除了稳态电流限制外，在启动或负载瞬变期间限制纹波电流和浪涌电流也很重要。电源转换器启动期间的浪涌电流取决于给定软启动时间内输入和输出电容器的大小。这是权衡：最小化输入电容以防止大浪涌电流，同时使其足够大以保持可接受的低纹波。

降压转换器的输入电流为脉冲;因此，输入电容在为纹波电流提供滤波路径方面起着关键作用。如果没有该电容，大量的纹波电流将流过长电流环路，导致降压转换器的行为不可预测。因此，有一个满足纹波电流和纹波电压要求的最小输入电容。多层陶瓷电容器（MLCC）由于其低ESR和ESL，在纹波电流方面具有最佳性能。

当转换器工作在突发模式时，电感电流遵循三角波形。电流环路的阻抗远高于输入滤波器。因此，输入电容两端的纹波电压可以通过以下公式估算，忽略电容的ESR和ESL，其中I峰是降压电感中的突发电流，VR是输入电容两端的纹波电压（显然，更高的突发电流需要更大的电容）：

为了最大限度地降低输入电压纹波，同时保持尽可能小的输入电容，我们更喜欢较小的降压电感。然而，使用大电感时，突发模式效率更好。对于82 μH电感和1 V纹波，为了避免在任何最小输入实例触发UVLO，使用LT8618的100 nF输入电容足以满足此应用的需求。

大部分纹波电流通过本地去耦电容，残余部分与电流环路共享相同的路径。保持电缆侧的电流纹波很小非常重要，因为它会在分流检测电阻上显示为电压纹波，并且电压纹波的大小需要小于ADC读取分流检测电阻两端电压的分辨率规格。电流纹波可以通过额外的滤波器进一步降低。RC滤波器是一个很好的设计折衷方案，因为输入电流很小，而且与LC滤波器相比成本较低。使用RC滤波器的两个或三个级联级可以进一步实现较小的纹波电流。

LTspice仿真允许我们使用LT8618和V来比较三种不同输入滤波器结构的源电缆侧的电流纹波，输入路径中的总电阻串联为100 Ω®在= 28 V 和 V外= 5.5 V，电感为82 μH。电流脉冲相当于输入滤波器在10 mA输出电流下将输入电流视为LT8618稳压器的输入电流。

具有100 Ω和100 nF的单级RC滤波器在源电缆侧的峰峰值电流纹波超过60 μA。源极电缆侧的纹波电流随着电容的增加或滤波级级的级联而变小。鉴于降压稳压器在较大的直接输入电容下性能更好，并且2级RC滤波器的BOM比3级RC滤波器小，同时在源电缆侧提供相似的电流纹波，我们建议使用每级50 Ω和47 nF的2级滤波器。源电缆侧纹波电流约为30 μA，相应地，它在250 Ω分流电阻上产生约7.5 mV纹波电压，这几乎足以满足8位分辨率ADC的需求。为了进一步降低电缆侧纹波电流，可以在滤波器中使用更大的电容。例如，如果将47 nF电容替换为100 nF电容，则电缆侧纹波电流可降至仅7 μA，相当于1.75 mV的纹波电压。

图5.电流环路源侧的电流纹波。

在典型的电流环路应用中，客户将在启动期间指定电流限制（例如3.2 mA），但可能超过此限制的指定短时间内除外。在降压转换器中，通常使用高浪涌电流对输入电容进行充电。输入滤波器的功能是双重的：除了限制电缆源侧的纹波电流外，它还有助于限制启动浪涌电流。图6显示了输入V在2级输入滤波器启动行为期间输入电流随时间的变化在24 V，输出侧负载电流为4 mA。

图6.带输入滤波器的启动电流，用于限制浪涌电流（从顶部开始：输入电压 20 V/div，输出电压 5 V/div，使能，电缆侧输入电流，10 mA/div）。

结论

电流环路广泛用于工业和汽车系统，以收集信息并将其从传感器传输到控制系统，有时通过相对较长的导线。相反，环路将控制器输出和调制指令传输到远程执行器和其他设备。通过改进电流环路中的电源，特别是用高效降压稳压器取代传统使用的线性稳压器，可以实现显著的效率和性能改进，这也增加了电流能力并扩大了输入范围。高效率、高输入电压稳压器采用微型封装，最小导通时间短，可以生产紧凑的整体解决方案，其尺寸和鲁棒性可与LDO稳压器解决方案相媲美。本文介绍了如何在4 mA至20 mA电流环路变送器中使用LT8618，以满足严格的工业要求。

审核编辑：郭婷