4-20mA电流环路系统中产生的废能利用方案

　　4-20mA电流环路信号常用于工业环境，实现远距测量数据传输，例如：加工温度或者容器压力等。这种信号传输方式之所以成为人们的首选，因为它简单便捷、抗噪、安全，并且可以在没有数据损坏的情况下实现远距离传输。由于传输数据的电流相对较低，这些电流环路还是低功耗系统。以前，没有获得利用的功率，或者信号传输过程中损失的功率，都在发送器内耗散掉；但现在，利用现代集成电路以后，即使这一小部分功率也被节省下来，以支持系统中必需功能的正常工作。

　　4-20mA电流环路系统基础知识

　　图1显示了一个典型的4-20mA电流环路系统。一个半稳压式24V DC电源同时向电流环路和发送器组件供电。发送器对重要信号（例如：温度、压力和其他参数）进行测量，然后输出一个2-20mA电流，其与该信号强弱成比例。该电流通过线路，传输至某个接收机系统。之后，电流遇到电阻器形成电压，其通过一个模数转换器（ADC）读出，然后再经过进一步处理。通过连线，连接回到为环路供电的电压源，这样构成一个完整的环路。

　　图1:基本的4-20mA电流环路系统

　　工业应用中使用这些电流环路具有诸多好处：

　　●电流环路是一些简单电路，仅要求一个简易电源、一个完成测量然后产生电流的发送器、一条传输线以及一个接收机电路。电源只需提供足以克服各种系统压降问题的电压；多余的环路电压刚好在发送器处得到降低。由于电流较低，仅有少量功耗，因此发热较少。

　　●电流环路仅包含一个电流环路。因此，根据基尔霍夫电流定律，通过环路中所有组件的电流相等。这样便实现了较高的抗噪性，而抗噪性又是工业环境应用的关键。

　　●由于信号电平最低达到4mA,从而实现了安全性。如果环路内部出现损坏，或者环路连接断开，则接收机无法读出电流，其表明出现故障，而非最低信号电平。

　　●只要电源电压高到足以克服系统压降，则代表测得信号的理想电流由发送器维持。因此，高压降和低成本的小规格线材用于进行互连，其仅要求增加电源电压。最为重要的是，线路允许相对较大的压降，便可以使用大量的连线。这样，受测仪器和对测量数据进行处理的控制室之间便可实现物理隔离，从而为控制室内的人员提供安全保护。

　　基本系统改进

　　我们可以利用多余的环路电压，用于向接收机电路供电，否则其会在发送器被降下来。图2显示了一个在电流环路中插入的电源。该电源与其供电的接收机电路一起放置于控制室中--有效地将多余环路电压转换为有用输出功率。

　　图2:4-20mA电流环路中多余环路电压的利用

　　由于接收机电阻不再接地参考，因此可能会需要电平移动电路，以连接数据转换器输入。任何高端分流监测器（例如：TI INA138等）都可提供这种极为简单的电路。这些器件对共模电压的小检测电阻压降进行测量，从而降低接收机电阻的必要压降。这样便让更多的电压可以为电源所利用，从而降低能源浪费。

　　这种电源通常会提供经过稳压的3.3V输出，以为电平位移器、数据转换器以及控制室内的所有其他低功耗设备供电。例如，来自TI MSP430TM平台的微处理器，其对接收数据进行检查，然后做出决策；来自TI CC430系列的低功耗RF器件，其将数据无线传输至其他地方。如果无需为特别长的电流环路购买和安接线路，从而实现成本节省，则无线发送器特别有用。这些器件的功耗必须非常低，因为榨取自电流环路的多余能源数量有限。

　　最后，这种电源还必须能与此类低功耗电源一起工作-最小电流4mA,最大电流20mA.由于这种电流所产生的电压为环路的多余电压，因此电源必须接受一个宽输入电压范围，并且仍然提供稳定的输出。对这种电源而言，更困难的是通过限流电源来启动系统。一般而言，启动期间要求更高的输出功率，对输出电容器充电，同时为负载提供启动电流。它远高于正常运行时系统消耗的量。如果电源要在启动期间提供这种高功率，则其输出功率会超出电流环路提供的量。如果出现这种情况，进入电源的电压会在电源关闭以前不断下降。这样，在重新开启以前，其输入电压会再次上升，并不断重复该过程。当电源通过这种小输入功率工作时，启动振荡是我们需要克服的一个难题。

　　能源利用解决方案

　　正如前面所述，废能利用型电源必须拥有较宽的输入电压范围，能够通过非常小的输入功率工作，并能在通过限流电源供电时避免出现启动振荡。TI的TPS62125便是一个这种电源，因为它通过一个3-17V输入工作，仅要求11μA的工作电流，并且拥有带可调磁滞的可编程使能阈值电压。TPS62125产品说明书中建议的电路有三个小改动：

　　1、给器件输入添加一个15V齐纳二极管，以在其承受的多余环路电压超出其17V额定值时提供保护。如果使用一个低压电流环路系统，则无需使用这种二极管。最大电压控制在 15.6V的齐纳二极管可以获得较好的结果。

　　2、给器件输入端添加大容量电容，以存储足够的能源，用于启动和负载变化。根据启动期间负载的功率需求情况，可能会不需要使用这种电容器。总计约200μF的电容，便可让举例负载实现平稳的启动，其在启动时需要3.3V、50Ma的电源持续供电30ms,而启动以后则只需要10mA的电流。大容量电容还可为可能出现的定期高功率需求提供存储能源，例如：温度测量、数据转换器读取操作或者通过天线发送数据。

　　3、对器件的使能阈值电压进行调节，这样器件便可在其电压达到12V时开启。对器件编程，让其在输入降至4V时关闭。一旦启用，器件便高效地将这种重新得到利用的能源转换为其3.3V输出。

　　例如，一个电源解决方案，我们选择4V作为关闭电压，目的是提供输入电压到输出电压的规定余量，从而让器件能够保持3.3V稳压输出。使用12V的开启电压，用于满足系统的各种要求。我们假设，24V电源的变化范围为18V到30V之间，并且电流环路压降共计为6V最大值，从而让器件在极端情况时承受12V的最小值。因此，我们选择12V作为启动电源的点，因为它是器件可能会承受的最小电压。另外，12V最小电压可以在开启电压和关闭电压之间实现充分的间隔，这样电源便在没有启动振荡的情况下启动进入高功率负载状态。

　　上述电源解决方案通过TI的XTR111启动和关闭。XTR111是一个4-20mA电流环路发送器，能够始终提供4Ma以下的电流。图3显示了这种解决方案的启动情况。发送器启用以后，它便开始提供电流，其将输入电压升高至电源的12V开启点。电源输出电压上升进入调节区域，然后立即提供50 mA的负载启动电流。这会稍微降低电源的输入电压，但电源保持对输出电压的调节，原因是其宽电压范围和大容量输入电容器。负载启动能耗持续30ms以后，负载电流减少至稳定状态，即10mA电平。输入电压进一步上升，并受齐纳二极管控制，保持在15V电平。正如我们已经注意到的那样，电流环路提供的电流始终保持在4mA以下。

　　图3:废能利用型电源的启动

　　图4显示了图3的放大图。电源从大容量电容器吸取存储的电能，以满足启动负载电流需求，同时电流环路始终提供低于4mA的电流。这种吸能过程，会使输入电压降低约2V,但对这种电源而言，这是可以接受的。