如何設(shè)計(jì)兩線制變送器微功率隔離電源？

關(guān)于兩線制變送器微功率隔離電源設(shè)計(jì)，我們來(lái)先看看變送器是什么？傳感器是能夠受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱(chēng)，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱(chēng)為變送器。而常見(jiàn)的類(lèi)型有功率變送器，電流電壓變送器等等。

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，一般情況下具有微處理器的智能變送器要滿(mǎn)足微控制器、A/D、D/A及通訊電路的供電，需要比普通4~20mA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)。設(shè)計(jì)的微輸入功率的隔離式兩線制變送器電源采用全集成電路設(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)。它以降落在兩線制變送器上的12~35VDC為輸入電源，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的恒流穩(wěn)壓前端輸入電路，固定消耗315mA電流，提供了兩組互相隔離的3V電源。與輸入不隔離的一組最大具有5mA負(fù)載能力，與輸入隔離的一組最大具有3mA負(fù)載能力，完全滿(mǎn)足輸入與輸出隔離型的兩線制變送器對(duì)電源的要求。

1.整體設(shè)計(jì)

圖1為電源原理圖。它由3個(gè)主要部分組成：U1、R1和Z1構(gòu)成的315mA/812V恒流穩(wěn)壓電路；由U2為核心構(gòu)成的DC/DC變換電路；由L2和U3構(gòu)成的一組隔離電源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求精簡(jiǎn)、高集成度，并且所有元器件都選擇了能夠工作于-40~85℃擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度區(qū)間的產(chǎn)品，能夠保證電源可靠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)變送器。

圖1電源原理圖

1.1恒流穩(wěn)壓電路

作為給兩線制變送器供電的電源，必須保證最大工作電流不超過(guò)4mA,考慮到變送器需要有一定的低零點(diǎn)輸出指示，一般系統(tǒng)供電標(biāo)準(zhǔn)為315mA以下，同時(shí)，這類(lèi)電源必須具有恒流特性，以保證兩線制變送器的工作特性。設(shè)計(jì)恒流源的方法很多，該設(shè)計(jì)采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317L來(lái)設(shè)計(jì)恒流源[2].

LM317L是三端可調(diào)穩(wěn)壓器，圖2是它的典型應(yīng)用。圖2（a）是它作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器時(shí)的基本應(yīng)用，此時(shí)在它的輸出端與調(diào)整端之間固定產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的壓差，典型值為1125V,因此，它的輸出電壓V_O=1125（1+Ra/Rb）。利用LM317的輸出端于調(diào)整端之間具有穩(wěn)定壓差的特性，它也經(jīng)常被用來(lái)設(shè)計(jì)恒流源，圖2（b）是典型應(yīng)用電路，它產(chǎn)生的電流大小為I=1125/R.參見(jiàn)圖1,設(shè)計(jì)中R1取值為360Ω，故可以獲得約315mA的恒流?？紤]到后續(xù)的DC/DC芯片的工作電壓范圍為4~11V,同時(shí)考慮到實(shí)際電源的輸出功率大小，使用了1個(gè)812V的穩(wěn)壓管Z1完成并聯(lián)穩(wěn)壓功能，同時(shí)為U2提供穩(wěn)定的入口電壓，條件是U2總消耗電流小于314mA,Z1必須選擇在小于011mA擊穿電流時(shí)即可穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)壓管（可選用Philips公司的產(chǎn)品，最低靜態(tài)穩(wěn)定電流僅幾十μA）。

圖2LM317L典型應(yīng)用圖

電路前端的D1為防反相二極管，一般采用1N4148即可。熔絲選擇了PTC器件自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，指標(biāo)為100mA/60V,保證電源故障時(shí)不影響外部供電電源。

由于電源的最終應(yīng)用場(chǎng)合為現(xiàn)場(chǎng)變送器，它所處的環(huán)境溫度變化范圍是比較大的，因此必須考慮到溫度漂移的因素。電源的主要溫漂就是恒流的漂移，產(chǎn)生的原因是LM317L的基準(zhǔn)壓差的溫度漂移以及恒流電阻R1的溫度漂移。實(shí)際電路中，R₁選擇了溫度系數(shù)低于5×10-6/℃的產(chǎn)品，溫漂可以忽略不計(jì)。LM317L的基準(zhǔn)壓差與溫度關(guān)系曲線見(jiàn)圖3,在-40~85℃的溫度范圍內(nèi)，溫度的影響較明顯，在高精度應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)償?？紤]到電源的實(shí)際應(yīng)用都是針對(duì)智能變送器的，在智能變送器系統(tǒng)中，出于對(duì)傳感器校正以及線路補(bǔ)償?shù)饶康?，變送器電路中都?huì)設(shè)計(jì)溫度傳感器，如LM75或者TC77等數(shù)字測(cè)溫芯片，故此電路沒(méi)有設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的硬件補(bǔ)償，而是提供了一個(gè)軟件補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">算法，用戶(hù)在應(yīng)用電源的時(shí)候可以采用它對(duì)電源的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3LM317L基準(zhǔn)溫度特性曲線圖

如圖3所示，LM317L的基準(zhǔn)壓差與溫度關(guān)系曲線近似于簡(jiǎn)單的三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系形式，只需要設(shè)計(jì)Y軸反向的補(bǔ)償函數(shù)即可，系統(tǒng)以20℃為補(bǔ)償基點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，具體補(bǔ)償公式為ΔI=A（t-20）²+B（t-20）³式中t為環(huán)境溫度。

系數(shù)A和B可以依據(jù)實(shí)際采用的LM317L芯片手冊(cè)提供的基準(zhǔn)電壓溫度曲線導(dǎo)出，最簡(jiǎn)單的做法就是取-20℃和60℃2個(gè)點(diǎn)，獲取2個(gè)二元一次方程來(lái)求解A和B.

這樣就能很容易獲取一個(gè)擬合程度比較好的補(bǔ)償曲線近似函數(shù)，補(bǔ)償后的溫度漂移影響基本可以忽略不計(jì)。112 DC/DC變換電路

由于電源最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是輸入功率極小，因此對(duì)于隔離端的設(shè)計(jì)不能采用功耗比較大的隔離反饋模式，實(shí)際電路采用了副邊開(kāi)環(huán)的方式。具體使用MAX639來(lái)設(shè)計(jì)DC/DC核心電路，實(shí)現(xiàn)了較高的電能效率轉(zhuǎn)換，在315mA供電輸入時(shí)可以提供遠(yuǎn)大于315mA的電流給電路供電，從而解決了智能系統(tǒng)大電流的需求。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，核心芯片必須具備微功耗、高效率、輸入電壓范圍寬，以及外圍器件簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖1中DC/DC芯片為MAXIM公司的MAX639[3],它是降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片，它的主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍寬（4~1115V）；轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)90%以上）；靜態(tài)電流低（10μA）；可固定輸出或可調(diào)輸出。

電路設(shè)計(jì)為可調(diào)輸出，輸出設(shè)定為3V.輸出電流

I_o=（V_i I_i η）/V_o

式中：Vi為輸入電壓；Ii為輸入電流；η為轉(zhuǎn)換效率；Vo為輸出電壓。

電路中V_i=812V,I_i=315mA,η=90%,V_o=3V,在不考慮隔離副邊輸出時(shí)，可獲得的Io約為816mA,這個(gè)輸出電流在微功耗系統(tǒng)中已經(jīng)是比較大的供給能力了。以上I_o的計(jì)算只是理論上的，要想在315mA/812V這樣微輸入功率的條件下使電路可靠啟動(dòng)，并獲得90%以上的轉(zhuǎn)換效率需要對(duì)電路進(jìn)行非常細(xì)致的設(shè)計(jì)。

DC/DC的可靠啟動(dòng)是由許多條件制約的，必要的條件就是必須提供足夠大的啟動(dòng)脈沖電流。在Z1旁并聯(lián)了1只10μF的鉭電解電容C2提供啟動(dòng)保證，同時(shí)也能夠有效避免DC/DC的工作對(duì)LM317的恒流特性產(chǎn)生干擾。

電感L₁對(duì)DC/DC的轉(zhuǎn)換效率起決定作用，MAXIM手冊(cè)提供的算法是L₁=50/IO,L₁的單位是μH,I_O的單位是A.實(shí)際電路中L₁的取值為4mH,能夠保證電路在最大輸出功率下穩(wěn)定工作，同時(shí)又能夠保證足夠高的轉(zhuǎn)換效率。需要強(qiáng)調(diào)的是，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。

為保證電路的穩(wěn)定，DC/DC芯片對(duì)輸出電容C3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[4],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。

DC/DC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)甚至?xí)谳敵鰩?lái)額外的寄生振蕩，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意。最重要的原則就是C₂與L_I引線端要盡量靠近MAX639引腳，C₂、D₂、MAX639、R₃以及C₃的接地引腳盡量靠近，盡量使用粗線，最好使用地平面。

DC/DC的輸入電壓設(shè)定為812V,由Z₁保證，如果實(shí)際的變送器要求的電源功率比較小，Z₁則可以選擇更低的穩(wěn)壓值，這樣能夠使整個(gè)電源對(duì)入口電壓要求更低。設(shè)計(jì)的入口電壓低限為12V,如果Z1選擇612V,則入口低限電壓可以降低到10V.

1.3隔離電源繞組

電路的主要特色是提供了一個(gè)隔離的供電繞組，它采用了在DC/DC輸出儲(chǔ)能電感上"竊"電的方法。如圖1所示，L₂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，在整體設(shè)計(jì)時(shí)必須從多角度統(tǒng)籌考慮，才能夠獲得滿(mǎn)意的效果。

首先要確定它的輸出功率。由于采用在儲(chǔ)能線圈上"竊"電的方法，它的輸出功率是受限制的，只能小于原邊輸出功率。這組隔離電源輸出在具體變送器應(yīng)用時(shí)主要為傳感器轉(zhuǎn)換電路、前端A/D轉(zhuǎn)換器和隔離電路供電。差動(dòng)電容傳感器、熱電偶傳感器及熱電阻等傳感器的模擬測(cè)量電路耗電是μA級(jí)的，前端A/D一般采用多積分型或者Σ-Δ型A/D,耗電小于1mA,低功耗光電隔離整體也能夠作到1mA以下。因此，隔離繞組只要保證能提供3mA的電流就能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要，已經(jīng)計(jì)算出在無(wú)副繞組情況下，電路最大輸出為816mA,顯然在有副繞組的情況下，完全可以為它提供3mA電流。

其次，隔離繞組由于采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，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，盡量避免對(duì)功耗比較大的器件使用工作/休眠輪換的方式。電路能夠?yàn)樵吿峁┳畲?mA的使用電流，完全能夠滿(mǎn)足常用微功耗MCU控制系統(tǒng)的工作，不需要使用休眠方式，這樣做還能夠獲得最大的系統(tǒng)運(yùn)行速度。

最后，由于隔離電源繞組主要為前端小信號(hào)模擬電路供電，對(duì)電源的質(zhì)量要求較高，因此設(shè)計(jì)時(shí)將低壓差線性穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器配合使用。將經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換的輸出低電壓經(jīng)過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的降噪和穩(wěn)壓處理，這樣取長(zhǎng)補(bǔ)短，既可以提高供電效率，又可滿(mǎn)足紋波電壓小的要求，具體LDO采用了MAX1726芯片[5],它的工作電流僅2μA,輸出為313V.穩(wěn)壓前的輸出幅度取決于原邊的輸出功率和L2的電感量，經(jīng)試驗(yàn)確定，L2為3mH,當(dāng)原邊電流在3~5mA之間變化，副邊電流為2mA時(shí)，穩(wěn)壓前電壓在318~418V之間波動(dòng)，滿(mǎn)足LDO穩(wěn)壓對(duì)輸入的要求。

2.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。該電源目前已經(jīng)在一體化智能溫度變送器上獲得應(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。