如何用MAX12900實現(xiàn)4-20mA發(fā)送器

4–20mA 電流環(huán)路是許多行業(yè)使用的主要過程控制信號。這是一種理想的方法 傳輸過程信息，因為電流在從發(fā)射器傳輸?shù)?a target="_blank">接收器時不會改變。它也是 更簡單且具有成本效益。但是，電壓降和需要監(jiān)控的過程變量數(shù)量可能會 影響其成本和復雜性。表1總結了4–20mA環(huán)路的優(yōu)缺點。

所有4–20mA傳感器變送器按其配置可分為三組：

2線（回路供電）4–20mA傳感器變送器

3線4–20mA傳感器變送器

4 線 4–20mA 傳感器變送器

環(huán)路供電的 4–20mA 傳感器變送器是最具成本效益和理想的解決方案，允許接收 通過2線4–20mA電流環(huán)路供電并傳輸數(shù)據。但是，如果傳感器本身消耗超過3-4mA 4–20mA環(huán)路預算，則需要一個額外的電源，而不是與4–20mA環(huán)路電源組合。此類傳感器 需要兩個電源和一個 4 線連接才能連接到 PLC。3線傳感器變送器是簡化的 4線傳感器配置版本，允許工程師通過分離4–20mA來消除一根連接線 電流（數(shù)據）回路來自電源環(huán)路，并為傳感器提供足夠的電力。圖 1 顯示了 2-、3-、 和 4 線傳感器連接。表2總結了每種變送器的相對優(yōu)缺點。

圖1.傳感器變送器連接類型。

使用MAX12900作為2線、3線或4線傳感器

MAX12900為超低功耗、高集成度模擬前端（AFE），用于4–20mA傳感器發(fā)送器。它 在一個小封裝中集成了以下 10 個構建塊：

寬輸入電源電壓低壓差（LDO）穩(wěn)壓器

兩個用于脈寬調制 （PWM） 輸入的調理器電路

兩個低功耗、低漂移通用運算放大器

一個寬帶寬、零失調漂移運算放大器

兩個診斷比較器

具有電源良好輸出的上電時序控制器，可實現(xiàn)平穩(wěn)上電

低漂移基準電壓源

MAX12900的一個關鍵優(yōu)勢是，它可以轉換來自不具有 專用DAC通過4–20mA環(huán)路輸出為電流信號，采用2線、3線或4線配置。這相當于 超低功耗、高分辨率數(shù)模轉換器，由兩個PWM信號組合實現(xiàn) 從微控制器接收，兩個調理器電路和一個采用集成低功耗OP構建的有源濾波器 放大 器。兩個調理器電路的輸出在整個電壓、電源和溫度范圍內提供穩(wěn)定的 PWM 幅度 變化。寬帶寬放大器與分立晶體管相結合，將電壓輸入轉換為電流 輸出并允許HART和基金會現(xiàn)場總線H1信號調制。零偏置運算放大器和 低漂移基準電壓源在很寬的溫度范圍內提供可忽略不計的誤差。低功耗運算放大器 比較器為增強診斷功能提供了構建模塊。電源軌監(jiān)控，輸出電流 回讀、開路和故障檢測是診斷功能的幾個示例。所有這些功能，以及 超低功耗和高精度特性使MAX12900非常適合環(huán)路供電的智能傳感器發(fā)送器。?

在本應用筆記中，我們考慮MAX12900在2線和3線工業(yè)傳感器設計中的應用。

將MAX12900配置為2線（環(huán)路供電）發(fā)送器

圖2給出了MAX12900如何配置為環(huán)路供電的簡化框圖和模型 （2線）傳感器設計。對于必須在危險環(huán)境中運行的傳感器，此配置是必需的，并且必須 符合ATEX指令94/9/EC，并獲得IECEx認證。只有在 變送器消耗的電流小于4mA。來自微控制器的PWM信號使用以下命令進行調理 MAX12900的片內調理器可以構建低通濾波器，以使用外部RC網絡濾除PWM信號 以及片內運算放大器之一。外部晶體管用于電壓到電流轉換。

圖2.采用MAX12900的環(huán)路供電傳感器框圖和模型

圖3顯示了2線環(huán)路供電傳感器的電路級實現(xiàn)。（在圖 2 中，請注意藍綠色塊 全部集成在MAX12900中。

圖3.使用MAX12900配置環(huán)路供電的4-20mA發(fā)送器

最常見的傳感器類型之一是測量溫度的類型。因此，接下來我們嘗試設計一個溫度 傳感器變送器采用MAX12900和工業(yè)標準MAX31856精密熱電偶數(shù)字轉換器。 MAX31856與熱電偶接口，并向SPI接口提供數(shù)據。還需要微控制器， 既可以從MAX31856讀取數(shù)據，又為MAX12900提供兩路PWM輸出。MAX12900評估板 （MAX12900EVKIT）為此使用低功耗STM32L071微控制器。此設計的起點是 分析最壞情況下的功率預算（所有條件下的最高電流消耗 溫度和電壓）。這有助于我們確定是否可以實現(xiàn) 2 線、3 線或 4 線。

根據MAX12900評估板的數(shù)據資料，MAX12900與低功耗微控制器的組合 最大功耗為3.5mA。MAX31856采用3.3V電源時最大功耗為2mA。因為總功耗為 兩款器件均超過4mA，無法設計2線制傳感器變送器。

在3線制發(fā)送器中使用MAX12900

在消除了使用2線解決方案的可能性之后，我們接下來考慮實現(xiàn)3線解決方案的挑戰(zhàn) 設計。第一個挑戰(zhàn)與可用電源有關。在 3 線解決方案中，只有一個電源軌 可用電壓。然而，這個24V電源（來自PLC）對于微控制器和MAX31856來說太高了，兩者 采用 3.3V 電源供電。有幾種方法可以解決此問題。第一種選擇是使用 DC-DC 轉換器，如MAX17550從+24V電源產生3.3V電源，為MAX31856供電，以及 微控制器，如圖4所示。MAX17550為超小尺寸、高效率、同步降壓型 DC-DC轉換器可提供高達25mA的電流。2通道數(shù)字隔離器MAX12930用于隔離 傳感器/MCU PWM接口與MAX12900連接。在圖 4 中，虛線框內的組件是一個隔離的電源域 浮動接地與 PLC 的接地參考不同。

圖4.帶DC-DC轉換器的3線傳感器變送器。

電源問題的另一種可能解決方案是使用超低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器， MAX15006AATT+，可為傳感器提供固定的3.3V電壓和高達50mA的電流，如圖5所示。

圖5.帶線性穩(wěn)壓器的 3 線傳感器變送器。

設計中要考慮的第二個問題是變送器的“浮動接地”。傳感器本身， 微控制器和MAX12900發(fā)送器必須具有公共接地才能正確通信。同時， 接地是相對于 PLC 接地的“浮動”點?！案〉亍比Q于傳輸?shù)臄?shù)據和回路 負載條件。還有幾種方法可以解決這個問題。一種選擇是在 微控制器和發(fā)送器，例如2通道、低功耗MAX12930（如圖4所示）進行隔離 發(fā)射器的PWMA和PWMB輸入。

另一種選擇是使用一些有源電路，該電路持續(xù)監(jiān)控并保持公共接地電平 傳感器和微控制器。之所以能夠實現(xiàn)這一選項，是因為通用運算放大器很方便，即 OP2，板載MAX12900。這種實現(xiàn)還需要一個n溝道小信號MOSFET、Q3和一個通用器件。 pnp 晶體管，Q4，以匹配 R 上的壓降負荷和 R意義.

在12900線制發(fā)送器中使用MAX4

在展示了MAX12900如何用于2線制和3線制發(fā)送器之后，實現(xiàn)4線制方案是 簡單明了，因為傳感器和 PLC 都有單獨的電源和接地回路。

結論

Maxim的MAX12900超低功耗AFE用于4–20mA發(fā)送器，具有無與倫比的靈活性， 非常適合用于帶有工業(yè)控制和自動化傳感器的設計，其信號需要轉換為 4–20mA 電流信號。

審核編輯：郭婷