模拟4~20ma电流输出的设计

1. 原理

4 ~ 20ma 电流输出的目的不用多说，今天就简单聊一下 4 ~ 20ma 电流输出是怎么设计出来的，并介绍一种国产集成芯片解决方案。

一般用分离器件搭建的实现原理都是通过单片机控制一个三极管，使其工作在放大区，因为放大区放大并不是线性的，因此需要在串接一个电阻，通过检测电阻电压，单片机来反馈调节三极管的输入，然后从而实现 4~20ma 电流输出。

今天我们介绍通过 GP8102S 芯片来实现 4 ~ 20ma 电流输出设计，还有另外一款芯片 GP8212S，两者区别是一个是 pwm 转 4 ~ 20ma 电流输出，另外一个是 I2C 转 4~20ma 电流输出，同时精度略有区别，本文主要讲解 GP8102S 芯片。

GP8102S

它的实现原理通过控制 PWM 的占空比，控制三极管工作在放大区，在三极管上串联一个采样电阻，通过 VFB 反馈给芯片内部，从而控制输出，调节三极管。这只是一个简单的设计原理，下面我们看一下具体的设计。

2. 使用 GP8102S 或 GP8212S 进行设计

和平时我们使用 GPIO 输出有两种模式开漏和推完类似，4~20ma 电流输出分为共地型和共源型，其主要表现为通信的电由哪一方提供。

2.1 共地型设计

共地型设计

LM321 的作用是生成反馈电压，输入到 IOUT2，来调节 IOUT 的输出。对于 GP8102S 中，Rs 一般采用 250Ω，GP8212S 中，Rs 一般采用 100Ω。

相对采用 1M 的电阻，下面这种设计方案能够提高更高的精度。

提高精度

说明：

1. 是 0/4-20mA 输出（共地型三线制）， Q1 选择 TO252/SOT223 等封装的 NPN，作为功率管承受 4-20mA 所产生发热。
2. Rs 的精度至关重要，建议采用 0.1%精度，同时因为其要流过 4-20mA 电流，因此要根据功率选择合理的封装。

2.2 共源型设计

共源型设计

说明：

1. 0/4-20mA 输出（共源型三线制），MOS 管选择 TO252/SOT223 等封装的 NMOS， 作为功率管承受 4-20mA 所产生发热 。
2. 同样 Rs 的精度至关重要，建议采用 0.1%精度，同时因为其要流过 4-20mA 电流，因此要根据功率选择合理的封装。
3. 对于这种电是由外部提供的端口处，一定要添加一个 TVS 来保护芯片。

2.3 其它电流需求

有的时候我们可能因为设备特殊 0/4-20mA 输出满足不了需求，可能需要 4-35mA 输出，这里提供一种思路。

根据电流输出公式 IOUT=5V * DPWM /Rs(DPWM 为 PWM 信号的占空比) 可知，IOUT 输出的上线跟电阻 Rs 有一定的关系，因此通过减小 Rs 电阻，可以提高 IOUT 输出范围。但是一定要考虑好三极管的选型，完美配合才能出现最佳效果，当然对于我们平时来讲，不需要把范围设计过大，因为过大的范围会降低输出的精度。

3. 隔离光耦电源连接方案

有的时候我们设计需要隔离，可以采用下面方法，在选择光耦的时候，频率的选择要格外注意。

在隔离应用中光耦电源有两种接法：

1. V5V 为光耦电源；
2. V5V 经过 NPN 管 9013 后作为电源。 前者电路简单，后者光耦引入误差小 .

隔离方案

下面是一个完整的隔离方案：

1. 利用 APC 芯片 GP9303 将模拟信号 4-20mA 转换成 PWM。
2. PWM 信号通过光耦隔离 。 TLP1488 为低速光耦，适合应用在 PWM 频率低于 500Hz 的场合， TLP1788 为高速光耦，适合应用在 PWM 频率低于 25Khz 的场合。
3. 隔离后的 PWM 信号送给 PAC 芯片 GP8102S 后还原成电流输出。

完整隔离方案

4. 利用 GP8102S 实现 0-40V 的可编程电压输出

GP8102S 除了能实现模拟电流的输出，其实还可以实现模拟电压的输出，如下就是一个 PWM 控制的线性稳压方案：

基于 GP8102S+2SD882 ，利用 GP8102S 与外接扩流三极管实现闭环控制，输出电压为 VOUT。VOUT=5V _ DPWM _ (R1+R2)/R2， DPWM 为 PWM 信号的占空比，通过此电路可以实现 0-40V 的可编程电压输出 。

可编程电压源