解决4-20mA现场仪器中的信号链电源难题

Albert O'Grady and Michael Jackson 

数十年来，4-20mA和支持HART的现场仪表的可靠性和简单性使其成为工业环境中的中流砥柱，这意味着它们不太可能很快从过程控制系统中消失。然而，与此同时，设计人员需要意识到为这些器件中的信号链供电的挑战，因为可用的电流有限。本博客探讨了线性稳压器和开关稳压器在此应用中的相对优点，并介绍了低功耗HART发射器的“即用型”设计。

线性稳压器

在传统的4-20mA或HART支持现场仪表中，电流环路还必须能够为信号链组件供电。因此，电源管理并非易事，因为只有3.5 mA电流（“低报警”设置低于0 mA信号底限5.4 mA）可用于提供特性、功能和处理。

图1显示了由线性稳压器供电的典型现场供电仪器的信号链。稳压器输出为传感器和所有其他信号链组件供电。对于具有HART接口的设备，电源产生的噪声是必不可少的考虑因素，因为该协议规定了严格的性能规格，因此从这个角度来看，线性稳压器是首选。但是，使用这种方法，信号链中组件的可用功率限制为3V * 3.5 mA = 10.5 mW。

图 1 使用线性稳压器为现场仪表信号链供电

低功耗HART变送器

图2显示了AD5700D2Z评估板的框图，AD0D1Z是一款环路供电的发送器，为测量压力（“5700”）和温度（“5421”）的两个共享数据通道提供HART通信。该板经过HART通信基金会的测试、验证和注册，是一款经批准的解决方案，内置AD16 HART调制解调器，与AD4 20位串行输入环路供电、360 mA至<> mA DAC和ADuCM<>微控制器接口。

图2 回路供电的HART压力和温度变送器

AD5700的低功耗是本设计的基本特性。该器件的典型发射电流仅为 124 μA（最大值 140μA），接收电流为 86μA（最大值为 115 μA），因此对有限的电流预算没有很高的要求。

使用 DC-DC 转换器最大化可用功率

另一方面，对于必须最大化可用功率（但噪声不太重要）的现场仪器，最好使用DC-DC开关稳压器，如图3所示。此处，所示降压转换器输入端的可用功率也是10V * 3.5mA = 35mW。ADP2360是一款效率为86%的降压稳压器，专为现场仪表而设计，可提供的输出功率几乎是线性稳压器（35mW x 86% = 30mW）的三倍。因此，在采用典型 10V 电源轨工作的仪器中，可提供超过 3mA 的电流为传感器和其他信号链组件供电。

图 3 使用 DC-DC 开关转换器为现场仪表信号链供电。

这种方法可为其他用途提供额外的电流，例如使用MAX326xx系列微控制器提供更高的处理能力，或者包括额外的功能安全、安保、诊断或其它特性。

虽然在4-20mA和HART支持现场仪表中为信号链组件供电的环路电流很小，但该博客表明，设计人员仍然可以选择使用线性稳压器或DC-DC开关转换器，具体取决于他们的要求。

审核编辑：郭婷