功耗：智能變送器設(shè)計(jì)的主要考慮因素

在所需功率預(yù)算內(nèi)設(shè)計(jì)具有 4 mA 至 20 mA 模擬輸出和 HART（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）接口的環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀表可能具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)儀表，也稱為智能變送器，是基于微處理器的智能設(shè)備，用于監(jiān)控過程控制變量。隨著越來越多的處理能力被分配到現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域，這種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變得越來越智能。這種附加智能的結(jié)合，以及增強(qiáng)的功能和診斷能力，增加了開發(fā)能夠在4 mA至20 mA環(huán)路的有限功率內(nèi)有效運(yùn)行的系統(tǒng)所涉及的挑戰(zhàn)。本文探討了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的功耗挑戰(zhàn)，并深入探討了ADI公司開發(fā)并在HART通信基金會(huì)注冊(cè)的示例解決方案如何在整體系統(tǒng)級(jí)和智能發(fā)送器設(shè)計(jì)的基本信號(hào)鏈元件中應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

圖1.智能發(fā)射器信號(hào)鏈。

任何變送器最重要的元素是主傳感器及其最佳操作，以提供被測(cè)環(huán)境參數(shù)的最準(zhǔn)確表示。主變量通常依賴于次變量（例如，壓力傳感器的溫度補(bǔ)償）。在圖2所示的示例中，傳感器是阻抗為5 kΩ的阻性電橋，所選工作模式為連續(xù)3.3 V電壓激勵(lì)。這導(dǎo)致傳感器消耗660 μA的總系統(tǒng)功率預(yù)算。

圖2.啟用HART的現(xiàn)場(chǎng)儀表演示框圖。

ADuCM360精密模擬微控制器集成了兩個(gè)具有可編程增益的低噪聲精密儀表放大器。放大器針對(duì)盡可能低的功率進(jìn)行了優(yōu)化，其級(jí)僅在需要獲得所需增益時(shí)才開啟。這允許在電路的性能和功率要求之間進(jìn)行最佳權(quán)衡。在本文描述的示例電路中，主傳感器的激勵(lì)電壓僅為激勵(lì)電壓的一半，信號(hào)電平僅為一半，并通過以編程方式將放大器增益從16加倍至32來優(yōu)化信號(hào)鏈性能。這意味著傳感器激勵(lì)電流可節(jié)省330 μA，放大器電源電流增加60 μA，凈節(jié)省270 μA。在考慮這種權(quán)衡時(shí)，確實(shí)還有其他方面需要考慮;例如，外部電磁干擾期間的傳感器信噪比。完全集成的可編程解決方案有助于設(shè)計(jì)人員更輕松地評(píng)估這些選項(xiàng)。

兩個(gè) 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 對(duì)放大的初級(jí)和次級(jí)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。在圖2中，ADC集成在ADuCM360上，并再次針對(duì)所需性能所需的最低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。Σ-Δ架構(gòu)提供固有的高分辨率、線性度和精度，而數(shù)字濾波器始終包含在Σ-Δ ADC中，允許在所需信號(hào)帶寬和輸入噪聲之間進(jìn)行可編程權(quán)衡，后者對(duì)可實(shí)現(xiàn)的分辨率有直接影響?，F(xiàn)場(chǎng)儀器輸入通常需要高于 16 位的分辨率，以便在其輸出端提供 16 位分辨率。

微控制器用于處理來自所有現(xiàn)場(chǎng)儀表傳感器的輸入，并計(jì)算測(cè)量過程變量的結(jié)果值。最重要的是，處理器需要執(zhí)行更多的診斷以及更復(fù)雜的通信。在本例中，使用了 32 位 ARM Cortex-M3 RISC 處理器，輔以 128 kB 閃存、8 kB SRAM 和其他外設(shè)，如上電復(fù)位功能、時(shí)鐘生成、數(shù)字接口和一系列診斷功能。因此，微控制器是一個(gè)復(fù)雜的組件，可能需要大量功率，因此每mW可以完成的處理越多越好。?

系統(tǒng)中一個(gè)明顯的權(quán)衡是在微控制器內(nèi)核速度和電源電流之間進(jìn)行權(quán)衡。通過為每個(gè)數(shù)字外設(shè)（如串行接口和定時(shí)器）選擇最低的必要時(shí)鐘頻率，可以實(shí)現(xiàn)不太明顯的節(jié)能效果。在本例中，4 mA至20 mA輸出更新的最快速度為每1 ms一次。雖然ADuCM360允許SPI接口的最大時(shí)鐘頻率為16 MHz，但使用具有最佳時(shí)鐘分頻器的中等100 kHz串行時(shí)鐘可節(jié)省約30 μA的芯片電流。通過降低與印刷電路板（PCB）走線上SPI信號(hào)的寄生電容和元件引腳電容相關(guān)的動(dòng)態(tài)電流，可以節(jié)省額外的幾μA電流。ADuCM3上使用的Cortex-M360功耗約為290 μA/MHz。它包括非常靈活的內(nèi)部電源管理選項(xiàng)，能夠動(dòng)態(tài)切換電源和時(shí)鐘速度到內(nèi)部模塊，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)功耗與性能平衡。

現(xiàn)場(chǎng)儀表4 mA至20 mA輸出電流由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和輸出電流驅(qū)動(dòng)器設(shè)置。AD5421集成了16位DAC和電流輸出級(jí)。它還集成了一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源和可編程電壓調(diào)節(jié)電路，這是從環(huán)路中提取電源所必需的，以便為自身和發(fā)射器信號(hào)鏈的其余部分供電。此外，AD5421還提供多種片內(nèi)診斷功能，所有這些功能都可以由微控制器配置和讀取，但也可以自主工作。即使集成度如此之高，AD5421的最大總電流也僅為300 μA，溫度范圍內(nèi)的總未調(diào)整誤差規(guī)格小于FSR±0.05%，從而最大限度地提高了通信測(cè)量的粒度和精度，而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)功耗產(chǎn)生不利影響。

最后，與4 mA至20 mA模擬輸出相輔相成的是HART調(diào)制解調(diào)器，它在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，提供與主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字通信。HART通信允許實(shí)現(xiàn)純模擬通信無法想象的功能。示例包括主機(jī)檢索儀器的輔助變量、診斷信息或執(zhí)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)例程。同樣，低功耗以及小尺寸是設(shè)計(jì)HART電路時(shí)的重要考慮因素。這里使用AD5700。AD124的典型發(fā)射和接收電流分別為86 μA和5700 μA，對(duì)儀器總電流預(yù)算的貢獻(xiàn)不大。HART輸出調(diào)制輸出電流，并通過專用引腳與AD5421內(nèi)部求和節(jié)點(diǎn)接口。HART輸入通過一個(gè)簡單的無源RC濾波器從電流環(huán)路耦合。RC濾波器可用作HART解調(diào)器的第一級(jí)帶通濾波器，并提高了系統(tǒng)電磁抗擾度，這對(duì)于在惡劣工業(yè)環(huán)境中工作的穩(wěn)健應(yīng)用非常重要。HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘由片內(nèi)低功耗振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器帶有一個(gè)3.8664 MHz的外部晶體，兩個(gè)8.2 pF電容接地，直接連接到XTAL引腳。此配置使用盡可能少的功率。

圖3.完整的4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器，帶HART接口。

在檢查了完整的信號(hào)鏈之后，很明顯，在這樣一個(gè)每一微安都很重要的應(yīng)用中，圖3所示的HART支持現(xiàn)場(chǎng)儀表演示電路被證明是非常寶貴的。表1概述了該DEMO-AD5700D2Z系統(tǒng)中測(cè)量的電流擊穿，顯示總電流完全在此類設(shè)計(jì)可用的3.5 mA（“低報(bào)警”設(shè)置）最大允許系統(tǒng)功率預(yù)算范圍內(nèi)。

總之，該解決方案不僅功耗低，而且還是一種高性能解決方案，面積開銷最小，更不用說符合HART標(biāo)準(zhǔn)了。它已經(jīng)過合規(guī)性測(cè)試、驗(yàn)證，并注冊(cè)為HART通信基金會(huì)批準(zhǔn)的HART解決方案。這種成功的注冊(cè)為電路設(shè)計(jì)人員在使用電路中概述的組件時(shí)注入了信心。ADuCM360的高集成度可實(shí)現(xiàn)高度的靈活性，并將重點(diǎn)從傳統(tǒng)的分立元件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到芯片內(nèi)每個(gè)集成模塊的最佳利用上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需更改軟件中的電路設(shè)置，即使在設(shè)計(jì)的后期階段，也可以探索前面描述的權(quán)衡取舍。這樣可以縮短設(shè)計(jì)周期，輕松進(jìn)行電路修改，并調(diào)整電路性能，而無需進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的PCB修訂。

審核編輯：郭婷