解决4-20mA现场仪器中的信号链电源难题
albert o'grady and michael jackson
数十年来，4-20ma和支持hart的现场仪表的可靠性和简单性使其成为工业环境中的中流砥柱，这意味着它们不太可能很快从过程控制系统中消失。然而，与此同时，设计人员需要意识到为这些器件中的信号链供电的挑战，因为可用的电流有限。本博客探讨了线性稳压器和开关稳压器在此应用中的相对优点，并介绍了低功耗hart发射器的“即用型”设计。
线性稳压器
在传统的4-20ma或hart支持现场仪表中，电流环路还必须能够为信号链组件供电。因此，电源管理并非易事，因为只有3.5 ma电流（“低报警”设置低于0 ma信号底限5.4 ma）可用于提供特性、功能和处理。
图1显示了由线性稳压器供电的典型现场供电仪器的信号链。稳压器输出为传感器和所有其他信号链组件供电。对于具有hart接口的设备，电源产生的噪声是必不可少的考虑因素，因为该协议规定了严格的性能规格，因此从这个角度来看，线性稳压器是首选。但是，使用这种方法，信号链中组件的可用功率限制为3v * 3.5 ma = 10.5 mw。
图 1 使用线性稳压器为现场仪表信号链供电
低功耗hart变送器
图2显示了ad5700d2z评估板的框图，ad0d1z是一款环路供电的发送器，为测量压力（“5700”）和温度（“5421”）的两个共享数据通道提供hart通信。该板经过hart通信基金会的测试、验证和注册，是一款经批准的解决方案，内置ad16 hart调制解调器，与ad4 20位串行输入环路供电、360 ma至 ma dac和aducm微控制器接口。
图2 回路供电的hart压力和温度变送器
ad5700的低功耗是本设计的基本特性。该器件的典型发射电流仅为 124 μa（最大值 140μa），接收电流为 86μa（最大值为 115 μa），因此对有限的电流预算没有很高的要求。
使用 dc-dc 转换器最大化可用功率
另一方面，对于必须最大化可用功率（但噪声不太重要）的现场仪器，最好使用dc-dc开关稳压器，如图3所示。此处，所示降压转换器输入端的可用功率也是10v * 3.5ma = 35mw。adp2360是一款效率为86%的降压稳压器，专为现场仪表而设计，可提供的输出功率几乎是线性稳压器（35mw x 86% = 30mw）的三倍。因此，在采用典型 10v 电源轨工作的仪器中，可提供超过 3ma 的电流为传感器和其他信号链组件供电。
图 3 使用 dc-dc 开关转换器为现场仪表信号链供电。
这种方法可为其他用途提供额外的电流，例如使用max326xx系列微控制器提供更高的处理能力，或者包括额外的功能安全、安保、诊断或其它特性。
虽然在4-20ma和hart支持现场仪表中为信号链组件供电的环路电流很小，但该博客表明，设计人员仍然可以选择使用线性稳压器或dc-dc开关转换器，具体取决于他们的要求。
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图1显示了由线性稳压器供电的典型现场供电仪器的信号链。稳压器输出为传感器和所有其他信号链组件供电。对于具有hart接口的设备，电源产生的噪声是必不可少的考虑因素，因为该协议规定了严格的性能规格，因此从这个角度来看，线性稳压器是首选。但是，使用这种方法，信号链中组件的可用功率限制为3v * 3.5 ma = 10.5 mw。
图 1 使用线性稳压器为现场仪表信号链供电
低功耗hart变送器
图2显示了ad5700d2z评估板的框图，ad0d1z是一款环路供电的发送器，为测量压力（“5700”）和温度（“5421”）的两个共享数据通道提供hart通信。该板经过hart通信基金会的测试、验证和注册，是一款经批准的解决方案，内置ad16 hart调制解调器，与ad4 20位串行输入环路供电、360 ma至 ma dac和aducm微控制器接口。
图2 回路供电的hart压力和温度变送器
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使用 dc-dc 转换器最大化可用功率
另一方面，对于必须最大化可用功率（但噪声不太重要）的现场仪器，最好使用dc-dc开关稳压器，如图3所示。此处，所示降压转换器输入端的可用功率也是10v * 3.5ma = 35mw。adp2360是一款效率为86%的降压稳压器，专为现场仪表而设计，可提供的输出功率几乎是线性稳压器（35mw x 86% = 30mw）的三倍。因此，在采用典型 10v 电源轨工作的仪器中，可提供超过 3ma 的电流为传感器和其他信号链组件供电。
图 3 使用 dc-dc 开关转换器为现场仪表信号链供电。
这种方法可为其他用途提供额外的电流，例如使用max326xx系列微控制器提供更高的处理能力，或者包括额外的功能安全、安保、诊断或其它特性。
虽然在4-20ma和hart支持现场仪表中为信号链组件供电的环路电流很小，但该博客表明，设计人员仍然可以选择使用线性稳压器或dc-dc开关转换器，具体取决于他们的要求。
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