自主控制解決方案
　　4 MA至20 MA電流循環(huán)是通過從遙控傳感器到PLC進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)。簡單，壽命，魯棒性，長距離驗(yàn)證的可靠數(shù)據(jù)傳輸，良好的噪聲免疫力和低實(shí)施成本使此接口非常適合長期工業(yè)過程控制以及對噪聲環(huán)境中遠(yuǎn)程對象的自動監(jiān)視。傳統(tǒng)上，由于許多先前列出的原因，當(dāng)前循環(huán)的功率是通過線性調(diào)節(jié)器提供的。使用線性調(diào)節(jié)器（與切換調(diào)節(jié)器相比，使用線性調(diào)節(jié)器）的相對效率低下和電流能力有限。效率低下會導(dǎo)致熱量耗散問題，而有限的電流通常無法添加所需的控制系統(tǒng)功能。
　　新的高效率，高輸入電壓調(diào)節(jié)器非常健壯且足夠小，可以在許多當(dāng)前的環(huán)路系統(tǒng)中替代線性調(diào)節(jié)器。一美元比線性調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)很多 - 包括較高的電流能力，更寬的輸入范圍和更高的系統(tǒng)效率?？梢栽诮祲赫{(diào)節(jié)器中找到顯著的性能優(yōu)勢，這些調(diào)節(jié)器的最低噸位較低，在高開關(guān)頻率下，可提供緊湊，健壯的解決方案。
　　圖1中所示的標(biāo)準(zhǔn)4 MA至20 MA電流環(huán)可用于將傳感器信息從現(xiàn)場儀器和控制信號攜帶到過程調(diào)節(jié)設(shè)備，例如閥定位器或其他輸出執(zhí)行器。它由四個(gè)組成部分組成：
　　當(dāng)前的環(huán)電源源：電源V DC電壓變化（9 V DC，12 V DC，24 V DC等），具體取決于應(yīng)用，其電勢比電路中組合組合的電壓下降至少高10％（例如，發(fā)射器，接收機(jī)和電線）。該V DC由本地降級調(diào)節(jié)器攻擊，以向傳感器和其他組件供電。
　　發(fā)射器：發(fā)射器的主要組件是傳感器或傳感器。它轉(zhuǎn)換一個(gè)物理信號，例如溫度，壓力，電流，距離或磁場，都可以轉(zhuǎn)換電信號。如果轉(zhuǎn)換后的信號是模擬電壓，則需要發(fā)射器的一部分的電壓到電流轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為4 mA到20 mA電流信號。在智能數(shù)字輸出傳感器的情況下，DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號。發(fā)射器中的本地電源（LIDO或BUCK調(diào)節(jié)器）為所有這些模擬，數(shù)字和參考電路都賦予了發(fā)電機(jī)。
　　接收器或監(jiān)視器：接收器將4 mA轉(zhuǎn)換為20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，可以進(jìn)一步處理和/或顯示。當(dāng)前信號使用電壓級別的轉(zhuǎn)換是通過高精度分流電阻分流的，/或類似于數(shù)字的轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集電路。在儀器碼頭中，當(dāng)?shù)氐男勐拐{(diào)節(jié)器為接收器電路供電?！　?或4線環(huán)：完整的電流環(huán)路可以超過2000英尺，并包括連接的發(fā)射器，電源和接收器。在2線4 MA至20 MA電流循環(huán)中，電源與當(dāng)前環(huán)相同。

　　圖1。2 線電流循環(huán)的圖。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供例如，要使用遠(yuǎn)程壓力傳感器測量0 psi至50 psi的壓力，4 mA至20 mA電流接收器電路與壓力到電流的傳感器串聯(lián)。在傳感器側(cè)，當(dāng)壓力為0 psi時(shí)，它讀取為4 mA，當(dāng)壓力為50 psi時(shí)為20 mA。在接收器側(cè)，基爾喬夫（Kirchhoff）的第一定律告訴我們，在分流電阻器中出現(xiàn)相同的電流，該電流將轉(zhuǎn)換為電壓信號。
　　工業(yè)，煉油廠，高速公路監(jiān)控和消費(fèi)者應(yīng)用的自主操作需要高性能傳感器技術(shù)以及可靠，準(zhǔn)確的當(dāng)前循環(huán)，以傳達(dá)傳感器信息。當(dāng)前循環(huán)的組件必須在延長的–40°C至 +105°C工業(yè)范圍內(nèi)保持高精度，低功率和可靠的操作，并具有所需的安全性和系統(tǒng)功能。
　　瞬變期間發(fā)射器（傳感器）側(cè)的源電壓最高可高達(dá)65 V，必須將其轉(zhuǎn)換為5 V或3.3V。由于傳感器電路通常設(shè)計(jì)為直接從當(dāng)前環(huán)（無局部電源源）汲取功率，因此通常限制為3.5 mA。隨著發(fā)射器上添加更多功能和功能，當(dāng)使用傳統(tǒng)的線性調(diào)節(jié)器時(shí)，該限制將成為一個(gè)問題，該線性調(diào)節(jié)器無法提供任何其他電流。此外，必須在調(diào)節(jié)器本身中燃燒系統(tǒng)中的大多數(shù)功率，在封裝系統(tǒng)中產(chǎn)生明顯的熱量。
　　LT8618將輸入范圍擴(kuò)展到65 V，并將負(fù)載能力擴(kuò)展到15 mA。它的高效率將熱約束從當(dāng)前的循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中取出，其中發(fā)射器被封裝并暴露于嚴(yán)格的環(huán)境變化。提出了一個(gè)低成本過濾器，以減少電壓波紋和電纜側(cè)電流紋波。本文分析了電源調(diào)節(jié)器的性能，并提供了滿足嚴(yán)格工業(yè)要求的組件選擇指南。提供了效率，啟動，波紋等的測試數(shù)據(jù)。
　　使用帶有擴(kuò)展輸入和負(fù)載范圍的降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉當(dāng)前循環(huán)LT8618是一個(gè)緊湊的雄鹿轉(zhuǎn)換器，其中許多功能滿足工業(yè)，汽車和其他不可預(yù)測的電源環(huán)境的要求。它很容易擬合4 MA到20 MA電流循環(huán)應(yīng)用，具有超靜止的電流，高效率，寬輸入范圍，高達(dá)65 V和緊湊型。圖2顯示了使用LT8618的完整發(fā)射器電路解決方案，以為Max6192c高精度參考，電壓到電流轉(zhuǎn)換和其他電路供電。
　　分流電路2SC1623處的電流與在誤差放大器（EA）的正輸入下施加的電壓成正比。 2.5 V參考電壓由Max6192c產(chǎn)生，一個(gè)精度參考IC，低噪聲，低掉落和低溫漂移為5 ppm/°C（MAX）。對于具有與環(huán)境變量成正比的數(shù)字輸出的智能傳感器，DAC可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并將其饋送到誤差放大器。
　　\ [i_ {shunt} = \ frac {（v_ {dc1}+v_ {ref}）r_ {12}}} {r_ {11} r_ {sense}}}}}}}} \，\，\，\，\，\，（1）\，（1）\]
　　因此，使用EA，BJT（2SC1623）和100ω（±0.1％）的感應(yīng)電阻器（RSENSE），換能器將電流環(huán)中的電流調(diào)節(jié)從4 mA到20 mA，其中4 mA代表活零和20 mA代表最大信號。 4 MA的實(shí)時(shí)或高架零允許設(shè)備能夠供電，即使沒有從現(xiàn)場發(fā)射器輸出過程信號。因此，分流電路中的電流與環(huán)境變量成正比，例如壓力，溫度，水平，流動，謙卑，輻射，pH或其他過程變量。　　這兩條長電線是信息攜帶電流循環(huán)的一部分，也用于從接收器側(cè)的電源V DC為發(fā)射機(jī)提供電源。 V DC的最小電壓應(yīng)足以覆蓋電線，分流器和發(fā)射器的最小工作電壓的電壓下降。源電壓取決于應(yīng)用程序，通常為12 V或24 V，但可以高達(dá)36V。

　　圖2。 帶有LT8618作為直流電源的當(dāng)前循環(huán)。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供在遠(yuǎn)程發(fā)射器端子上，Schottky二極管（D1）保護(hù)發(fā)射器免受反向電流流量。在輸入上放置的齊納或電視（d2）二極管提供了進(jìn)一步的保護(hù)，以限制瞬態(tài)電壓沖浪，這與當(dāng)前環(huán)的電感成正比。 LT8618高效單片降壓器調(diào)節(jié)器將循環(huán)電壓降低至5.5 V或3.3 V-為參考，DAC和其他功能塊供電。
　　在圖2中，V DC和發(fā)射器之間的電線范圍從幾英尺到2000英尺。當(dāng)前環(huán)的雜散電感與降壓器的輸入電容器形成了LC諧振箱。電源側(cè)（V DC）上的瞬態(tài)也出現(xiàn)在遠(yuǎn)程發(fā)射器的輸入側(cè)。對于最嚴(yán)重的未阻尼振蕩，峰值電壓可以使VDC的兩倍增加一倍。例如，如果操作輸入電壓為24 V，典型的最大規(guī)范為36 V，則發(fā)射器側(cè)的最大電壓有可能超過65 V的風(fēng)險(xiǎn)?？梢允褂?a target="_blank">TVS二極管D2在發(fā)射器前面的TVS二極管D2實(shí)現(xiàn)易于保護(hù)，以限制瞬態(tài)期間的任何電涌，如圖2所示。
　　另外，可以通過保護(hù)LT8618免受使用LDO調(diào)節(jié)器的高壓偏移來構(gòu)建有效的系統(tǒng)。在這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，LDO調(diào)節(jié)器將通過LT8618以高效率將其轉(zhuǎn)換為24 V或3.3 V的LT8618減去其輟學(xué)電壓。 LDO調(diào)節(jié)器的當(dāng)前限制應(yīng)設(shè)置在典型的3.8 MA以下，同時(shí)還要保持高效率，LT8618的輸入電容器基本上也用作解耦和儲層電容器。這將使在當(dāng)前循環(huán)中的最小程度至沒有電流繪制時(shí)，可以使短爆發(fā)的高載荷爆發(fā)。由于高壓偏移很短，通常含有幾乎沒有整體能量，因此在這些瞬態(tài)期間，LDO調(diào)節(jié)器的功率損失不會損害整體效率。也就是說，LDO監(jiān)管機(jī)構(gòu)幾乎所有時(shí)間都以較高的速度比例花費(fèi)?！　〉湫偷碾娏鳝h(huán)限制了為完整的遠(yuǎn)程發(fā)射器供電的電路的輸入電流，并且來自LDO調(diào)節(jié)器的可用負(fù)載電流不能超過此輸入電流限制。另一方面，降壓調(diào)節(jié)器可以將提供給負(fù)載的輸入電流乘以。圖3顯示了輸出電流與LT8618調(diào)節(jié)器的輸入電流的24 V輸入至5.5 V轉(zhuǎn)換。對于3.8 mA的輸入電流極限，輸出電流幾乎為15 mA。這種額外的功能通過增加操作凈空并實(shí)現(xiàn)其他功能塊來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工作。

　　圖3。 輸出電流與輸入電流，v in = 24 V，v out = 5.5 V.圖像使用的圖像由 Bodo的Power Systems  提供。
　　爆發(fā)模式操作提高了微小負(fù)載的效率
　　LDO調(diào)節(jié)器的效率與降低比率（V OUT /V in）成正比，并且當(dāng)輸入電壓略高于輸出時(shí)，可以有效。該問題以高升級比率出現(xiàn)，效率非常低，在系統(tǒng)上產(chǎn)生了明顯的熱應(yīng)力。例如，在55 V處的輸入和3.3 V的輸出時(shí)，LDO調(diào)節(jié)器的功率損耗為0.19 W，負(fù)載電流為3.8 mA。相比之下，在高降級比率下，設(shè)計(jì)經(jīng)過正確設(shè)計(jì)的降壓調(diào)節(jié)器可能非常有效。此外，同步降壓調(diào)節(jié)器可以通過用MOSFET替換捕獲二極管來提高非同步對應(yīng)物的效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)是在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化效率 - 特別是在3 mA至15 mA的光載荷時(shí)，輸入高達(dá)65V。
　　對于典型的同步降壓轉(zhuǎn)換器，三個(gè)功率損耗占主導(dǎo)地位：切換損耗，門驅(qū)動損耗以及與轉(zhuǎn)換器IC控制器邏輯電路相關(guān)的損耗。如果開關(guān)頻率降低，則可以顯著降低開關(guān)驅(qū)動器損耗，因此，僅在低頻下運(yùn)行轉(zhuǎn)換器就可以減少在光負(fù)載下的開關(guān)和門損耗。
　　在光載荷下，邏輯電路的偏差損失與相對較低的開關(guān)相關(guān)損耗相當(dāng)。偏置電路通常從輸出中供電，只有在啟動和其他瞬態(tài)條件下通過內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)器從輸入中驅(qū)動電力。
　　在光負(fù)載下，LT8618通過在突發(fā)模式下操作來解決邏輯電路的損失，其中電流以短脈沖傳遞到輸出電容器，然后是相對較長的睡眠周期，其中大多數(shù)邏輯控制電路都關(guān)閉?！　榱诉M(jìn)一步提高光負(fù)載下的效率，首選較大的值電感器，因?yàn)樵诙糖袚Q脈沖期間可以將更多的能量傳遞到輸出，并且降壓調(diào)節(jié)器可以保持在睡眠模式的時(shí)間更長。通過最大化脈沖之間的時(shí)間并最大程度地減少每個(gè)短脈沖的切換損耗，LT8618靜態(tài)電流可能小于2.5μa，同時(shí)保持從輸入高達(dá)60 V的調(diào)節(jié)中的輸出。由于許多發(fā)射機(jī)電路在低電流中大部分時(shí)間都繪制了低靜脈電流，因此較低的靜脈電流是典型的降低量高于典型的雄鹿，繪制了一百次或一百架the the the the典型的水平。

　　圖4顯示了圖2中所示的當(dāng)前環(huán)路解決方案的效率，其中5.5 VOUT輸出導(dǎo)軌與LT8618的偏置引腳有關(guān)。峰值效率在整個(gè)100 mA負(fù)載下達(dá)到87％，輸入28 V和82 H電感器。相同28 V輸入的10 MA負(fù)載效率在77％處或高于77％，可以說更令人印象深刻。
　　圖4。LT8618 在光負(fù)載時(shí)高效率，V in = 28 V，V out = 5.5 V，L = 82 ?H。圖像由Bodo的Power Systems提供輸入過濾器，以限制Inrush電流和電流環(huán)紋波
　　功率調(diào)節(jié)器的輸入已連接到電流環(huán)，因此在啟動或負(fù)載瞬變過程中，限制連鎖電流和沖洗電流也很重要，此外還要限制穩(wěn)態(tài)電流限制。電源轉(zhuǎn)換器啟動期間的刷新電流取決于給定的軟啟動時(shí)間的輸入和輸出電容器的尺寸。這是權(quán)衡的：最大程度地減少輸入電容器以防止大量的沖洗電流，同時(shí)使其足夠大以保持可接受的低紋波。
　　降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流脈沖；因此，輸入電容器在提供波紋電流的過濾路徑中起關(guān)鍵作用。沒有該電容器，大量的波紋電流將通過較長的電流環(huán)，導(dǎo)致雄鹿的行為不可預(yù)測。因此，最小輸入電容符合波紋電流和波紋電壓要求。多層陶瓷電容器（MLCC）由于其低ESR和ESL而在波紋電流方面具有最佳性能。
　　當(dāng)轉(zhuǎn)換器以突發(fā)模式運(yùn)行時(shí)，電感器電流遵循三角形波形。當(dāng)前循環(huán)的阻抗比輸入過濾器高得多。因此，可以通過以下公式來估計(jì)輸入電容器上的波紋電壓，而忽略了電容器的ESR和ESL，其中IPEAK是降壓電感器中的突發(fā)電流，而VR是輸入電容器上的漣漪電壓（顯然，更高的電源需要更大的電容，而高電源較高的爆發(fā)事故需要更大的電容）：
　　\ [c = \ frac {i^{2} _ {peach} l} {2v_ {r} v_ {in}}} \，\，\，\，（2）\]
　　為了最大程度地減少輸入電壓紋波，同時(shí)保持輸入電容盡可能小，我們更喜歡降低電感。然而，大型電感器的突發(fā)模式效率更好。對于82 ?H電感和1 V紋波，為避免在任何最小輸入實(shí)例觸發(fā)UVLO，使用LT8618的100 NF輸入電容器足以適用于本應(yīng)用。
　　大多數(shù)波紋電流都通過局部解耦電容器，剩余部分具有與當(dāng)前循環(huán)相同的路徑。重要的是要使電纜側(cè)的當(dāng)前紋波保持在電纜側(cè)的較小，因?yàn)樗鼘⒁噪妷翰y作為分流感電阻出現(xiàn)，并且電壓紋波的大小必須小于ADC讀取跨分流感電阻器的ADC讀取電壓的分辨率。當(dāng)前的漣漪可以通過其他過濾器進(jìn)一步降低。 RC過濾器是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)權(quán)衡，因?yàn)檩斎腚娏骱苄?，與LC過濾器相比，成本低。通過兩個(gè)或三個(gè)級聯(lián)的RC過濾器，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)較小的紋波電流。
　　LTSpice模擬使我們能夠使用三個(gè)不同的輸入濾波器結(jié)構(gòu)比較源電纜側(cè)的電流紋波，并且使用V IN = 28 V和V OUT = 5.5 V的LT8618，在輸入路徑中的總電阻為100Ω，以及82 ?H的電感器。電流脈沖等同于輸入過濾器將其視為10 mA輸出電流的LT8618調(diào)節(jié)器的輸入電流?！　【哂?00Ω和100 NF的單級RC濾波器的電流波紋在源電纜側(cè)的峰值峰值超過60 ?A。隨著添加更多電容或級聯(lián)的過濾階段，源電纜側(cè)的連鎖電流變小。鑒于雄鹿調(diào)節(jié)器在更大的直接輸入電容器中的性能效果更好，并且2級RC濾波器的BOM比3階段的BOM小，同時(shí)在源電纜側(cè)傳遞相似的電流波紋，我們建議使用50Ω和47 NF的2級濾波器每個(gè)階段。源電纜側(cè)紋波電流約為30μa，相應(yīng)地在250Ω分流電阻上產(chǎn)生約7.5 mV的波紋電壓，這幾乎足以用于8位分辨率ADC。為了進(jìn)一步減少電纜側(cè)紋波電流，可以在過濾器中使用更大的電容。例如，如果47 NF蓋被100 nf蓋取代，則電纜側(cè)紋波電流可將其降低到僅7 ?A，對應(yīng)于1.75 mV的紋波電壓。

　　圖5。 當(dāng)前循環(huán)源側(cè)的當(dāng)前波紋。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供在典型的當(dāng)前循環(huán)應(yīng)用程序中，客戶將在啟動期間指定當(dāng)前限制（例如3.2 ma），但指定的短時(shí)間除外，可以超過此限制。在降壓轉(zhuǎn)換器中，高彈電電流通常是為輸入電容器充電。輸入濾波器的功能是兩個(gè)倍：除了限制電纜源的連鎖電流外，它還有助于限制啟動式Inrush電流。圖6顯示了使用2級輸入過濾器的啟動行為期間的輸入電流，對于24 V為24 V的輸入V ，輸出側(cè)的4 mA負(fù)載電流在輸出側(cè)。
　　圖6。 帶有輸入過濾器的啟動電流以限制刷新電流（從頂部：輸入電壓20 V/div，輸出電壓5 V/div，啟用，電纜側(cè)的輸入電流，10 mA/div）。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供