智能變送器用電源的研制

隨著微控制器MCU(或單片機(jī))技術(shù)的成熟，原來(lái)的模擬變送器逐漸被以微控制器為數(shù)據(jù)處理和控制核心的智能變送器所代替。智能變送器擴(kuò)展了模擬變送器的功能，不僅提高了測(cè)量精度和工作可靠性，還可以很容易地實(shí)現(xiàn)線性化處理、溫度補(bǔ)償、自動(dòng)零點(diǎn)和量程調(diào)整及數(shù)字通信等功能。在開(kāi)發(fā)低功耗的智能兩線制變送器時(shí)，儀器內(nèi)部的微功率電源設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。首先，具有微處理器的智能變送器要滿(mǎn)足微控制器、A/D、D/A以及通信電路的供電，需要比原來(lái)模擬變送器更大的功率，需要內(nèi)部電源具有更高的供電效率。另外，對(duì)于電容傳感器和熱電偶，還要考慮接地或者傳感器可能碰殼(接地)的情況，所設(shè)計(jì)的變送器電路必須是輸入與輸出相隔離的，這樣才能夠保證后續(xù)控制系統(tǒng)的正常工作和抗共模干擾能力。由于外部電路為兩線制變送器系統(tǒng)提供的工作電流最大僅為4mA，這些具體要求給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度和挑戰(zhàn)。我所設(shè)計(jì)的這種微輸入功率的隔離式兩線制變送器電源是應(yīng)用在射頻導(dǎo)納物位變送器上的，采用全集成電路設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉的特點(diǎn)。輸入電壓范圍是16～32VDC，采用降壓變換器方式，輸出兩組互相隔離的5V電源。輸入電壓24VDC，與輸入不隔離的一組最大具有10mA負(fù)載能力，與輸入隔離的一組最大具有4mA負(fù)載能力，24VDC總線電流小于3.5mA，效率可以達(dá)到85％以上，完全滿(mǎn)足輸入與輸出隔離型的兩線制智能變送器對(duì)電源的要求。

整體設(shè)計(jì)
由于智能變送器電源線和信號(hào)線復(fù)用，射頻導(dǎo)納物位變送器正常工作時(shí)，根據(jù)物位高低輸出4～20mA的電流信號(hào)，電路功耗電流不能超過(guò)4mA的回路電流，還需要有故障報(bào)警功能，總線電流要求為3.6mA，為了生產(chǎn)還需要留出一定的余量，即射頻導(dǎo)納物位變送器本身功耗電流必須小于3.5mA。現(xiàn)在，簡(jiǎn)單估算一下這種變送器的最大功耗，從控制室出來(lái)送往變送器的電壓按24V計(jì)算，4～20mA DC信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器后先送到配電器中，經(jīng)負(fù)載電阻(一般為250Ω)轉(zhuǎn)換成1～5V的直流電壓信號(hào)，再送往控制室。理論上變送器內(nèi)部可以消耗的最大功率不應(yīng)超過(guò)(24-1)×3.5=80.15mW。這還不包括輸入電路部分的電壓損耗等。圖1為智能變送器組成和對(duì)電源要求。

圖1?? 智能變送器組成和對(duì)電源要求

目前市面上主要有兩種低電壓電源芯片：線性電源變換器和開(kāi)關(guān)電源變換器。線性電源變換器基本上不需要外圍元件，成本低，不易受電磁干擾，紋波電壓小，但主要缺點(diǎn)是電源效率低(一般小于40%)，尤其應(yīng)用在低輸出電壓的穩(wěn)壓中，效率更低。根據(jù)線性電源的工作原理，其輸出電流接近于輸入電流，而3.5mA的輸出電流根本無(wú)法滿(mǎn)足單片機(jī)電路和檢測(cè)電路的需要，只能采用開(kāi)關(guān)電源變換器。

目前市場(chǎng)上能夠應(yīng)用在兩線制智能變送器上的微功耗開(kāi)關(guān)電源變換器芯片種類(lèi)并不是很多，并且價(jià)格昂貴。為此，我們提出了兩種方案：一種為低成本方案，采用精工電子生產(chǎn)的S-8251B40芯片，采取先把輸入總線電壓降壓到16V方法；另一種采用Linear公司生產(chǎn)的LT1934芯片。

方案一
這種方案采用精工電子生產(chǎn)的S-8251B40芯片，成本較低，總體效率也較低，對(duì)用電負(fù)載電路設(shè)計(jì)要求則很高。其輸入為24VDC，與輸入不隔離的一組輸出4.6V，8mA電流，與輸入隔離的一組輸出3.6V，3mA電流，24VDC總線電流小于3.5mA，效率可以達(dá)到57％以上。如果以輸入電壓16VDC計(jì)算，效率可以達(dá)到85％以上。

S-8520/8521系列是一種由基準(zhǔn)電壓源、振蕩電路和誤差放大器等構(gòu)成的PWM控制(S-8520系列)、PWM/PFM切換控制(S-8521系列)CMOS降壓型DC/DC控制器。S-8520系列通過(guò)以線性方式在0～100%的范圍內(nèi)改變占空系數(shù)的PWM控制電路和誤差放大電路來(lái)獲得低紋波、高效率和良好的過(guò)渡響應(yīng)特性。并且，其內(nèi)置了軟啟動(dòng)電路，以防止啟動(dòng)上升時(shí)發(fā)生上沖。S-8521系列采用PWM/PFM切換控制，在通常時(shí)以占空系數(shù)25%～100%的PWM控制來(lái)進(jìn)行工作，在輕負(fù)載時(shí)，自動(dòng)地將工作切換為占空系數(shù)25%的PFM控制。從設(shè)備的待機(jī)時(shí)開(kāi)始，到工作時(shí)為止的寬范圍內(nèi)獲得高效率。通過(guò)外接P溝道功率MOSFET或PNP晶體管、線圈、電容器和二極管，可以構(gòu)成降壓型DC/DC控制器，該產(chǎn)品適用于移動(dòng)設(shè)備的電源。主要指標(biāo)：輸入電壓為2.5?16V，輸出電壓為1.5?6.0V，可以0.1V為進(jìn)階單位來(lái)進(jìn)行設(shè)定；低消耗電流工作時(shí)：60μA最大值(A、B型產(chǎn)品)；休眠時(shí)：0.5μA最大值。振蕩頻率典型值為180kHz(A、B型產(chǎn)品)；軟啟動(dòng)功能典型值為8ms(A、B型產(chǎn)品)；備有開(kāi)/關(guān)控制功能。圖2為S-8251基本電路。

圖2?? S-8251基本電路

在使用S-8251芯片設(shè)計(jì)降壓電路時(shí)，要注意電感的設(shè)計(jì)。電感值(L)對(duì)最大輸出電流(IOUT)和效率(η)產(chǎn)生很大的影響。L值越小，峰值電流電路(IPK)就越大，提高了電路穩(wěn)定性并使Iout增大。若使L值變得更小，會(huì)降低效率而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力不足，促使Iout逐漸減少。L值逐漸變大時(shí)，開(kāi)關(guān)晶體管的峰值電流(Ipk)所引起的功耗也隨之變小，達(dá)到一定的L值時(shí)效率變?yōu)樽畲?。接著，若使L值變得更大，因線圈的串聯(lián)電阻所引起的功耗變大，而導(dǎo)致工作效率的降低，Iout也會(huì)減少。S-8520/8521系列產(chǎn)品在L值逐漸變大的過(guò)程中，因輸入電壓、輸出電壓以及負(fù)載電流的條件的不同，輸出電壓有可能變得不穩(wěn)定。實(shí)際調(diào)試電路時(shí)，需要進(jìn)行充分的試驗(yàn)之后，再?zèng)Q定所選用的L值。二極管需要使用快恢復(fù)或者肖特基二極管。為保證電路的穩(wěn)定，S-8251芯片對(duì)輸出電容有著很高的要求，最重要的一點(diǎn)就是它的等效串聯(lián)電阻ESR必須足夠小，同時(shí)要有足夠的容量。電路設(shè)計(jì)采用了性能優(yōu)良的10μF鉭電解電容器，能夠保證穩(wěn)定的輸出。S-8251芯片是該電路的核心，實(shí)際電路線路布局對(duì)電路的性能影響非常大，尤其對(duì)輸出的紋波有直接影響，不合理的電路板布局設(shè)計(jì)會(huì)使輸出帶來(lái)額外的寄生振蕩，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意。

因?yàn)镾-8251芯片輸入電壓范圍是2.5～16V，總線輸入電壓范圍24V，必須先經(jīng)過(guò)降壓環(huán)節(jié)，這將使變換效率大打折扣。降壓電路靜態(tài)功耗要小于幾十μA量級(jí)，否則總線電流很難做到小于3.5mA。我采用MOSFET串聯(lián)降壓方式，基準(zhǔn)源沒(méi)有采用穩(wěn)壓二極管，而是使用LM385，做到靜態(tài)電流36μA。圖3為24V降壓到16V電路。
方案二
這種方案采用Linear公司生產(chǎn)的LT1934芯片，成本較高，總體效率高，對(duì)用電負(fù)載電路設(shè)計(jì)要求不高，有很大的調(diào)整余量。在輸入24VDC時(shí)，與輸入不隔離的一組輸出5V，9mA電流，與輸入隔離的一組輸出5V，4mA電流，24VDC總線電流可以輕松做到小于3.5mA，效率可以達(dá)到85％以上。

圖3?? 24V降壓到16V電路

LT1934系列芯片是一種由基準(zhǔn)電壓源、振蕩電路和誤差放大器等構(gòu)成的、PWM控制的CMOS降壓型DC/DC控制器。主要指標(biāo)：輸入電壓為3.3?34V，輸出電壓為1.5?6.0V，可以0.1V為進(jìn)階單位來(lái)進(jìn)行設(shè)定；低靜態(tài)電流12μA最大值，最大輸出電流300mA。圖4為L(zhǎng)T1934的基本電路。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，器件選擇和S-8251基本一樣，在PCB版圖設(shè)計(jì)時(shí)要注意電容C2和芯片LT1934距離不能太遠(yuǎn)，盡量使用粗線，最好使用地平面，否則會(huì)引起自激振蕩。電感L1對(duì)DC/DC的轉(zhuǎn)換效率起決定作用。如果L1偏小，電路的轉(zhuǎn)換效率將降低，啟動(dòng)電流增大，甚至無(wú)法啟動(dòng)。如果L1偏大，則會(huì)造成輸出能力下降，同時(shí)DC/DC電路將可能產(chǎn)生振蕩。

隔離電源繞組
射頻導(dǎo)納物位變送器還需要一組隔離電源給傳感器電路使用。保證變送器的安全工作和高的抗共模干擾能力。我設(shè)計(jì)的電源電路在降壓變換器的電感上提供了一個(gè)隔離的次級(jí)繞組，它采用了在DC/DC輸出儲(chǔ)能電感L1A上“竊”電的方法。圖5為帶隔離電源的電路設(shè)計(jì)。

圖4?? LT-1934的基本電路

L1B就是這個(gè)隔離電源的供電線圈。由于這組隔離電源是在DC/DC的儲(chǔ)能線圈上加載的副線圈，結(jié)構(gòu)為開(kāi)環(huán)形式，因此它的輸出穩(wěn)定性相對(duì)比較差。原邊負(fù)載的變化直接影響副邊的穩(wěn)定性，因此電路在實(shí)際使用時(shí)，要求原邊的電路系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要盡可能保證功耗的穩(wěn)定性。

圖5? 帶隔離電源的電路設(shè)計(jì)

　　
結(jié)論
兩線制變送器隔離式電源具有使用溫度范圍寬、輸入電壓范圍寬、輸出效率高、集成度高、隔離性能好、體積小、成本低等特點(diǎn)，是一種穩(wěn)定可靠的兩線制變送器電源，能夠滿(mǎn)足各種具有復(fù)雜要求的兩線制變送器的使用。考慮到尺寸大小和安裝等因素，我們?cè)谏漕l導(dǎo)納物位變送器上采用第二種方案。目前該電源已經(jīng)在射頻導(dǎo)納物位變送器上獲得應(yīng)用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用考驗(yàn)，性能優(yōu)良，完全達(dá)到了隔離型兩線制變送器的使用要求。