4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)廢能利用

由于接收機(jī)電阻不再接地參考，因此可能會(huì)需要電平移動(dòng)電路，以連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入。任何高端分流監(jiān)測(cè)器(例如：TI INA138等)都可提供這種極為簡(jiǎn)單的電路。這些器件對(duì)共模電壓的小檢測(cè)電阻壓降進(jìn)行測(cè)量，從而降低接收機(jī)電阻的必要壓降。這樣便讓更多的電壓可以為電源所利用，從而降低能源浪費(fèi)。

這種電源通常會(huì)提供經(jīng)過穩(wěn)壓的 3.3V 輸出，以為電平位移器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及控制室內(nèi)的所有其他低功耗設(shè)備供電。例如，來自 TI MSP430TM 平臺(tái)的微處理器，其對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，然后做出決策;來自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其將數(shù)據(jù)無線傳輸至其他地方。如果無需為特別長(zhǎng)的電流環(huán)路購買和安接線路，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省，則無線發(fā)送器特別有用。這些器件的功耗必須非常低，因?yàn)檎ト∽噪娏鳝h(huán)路的多余能源數(shù)量有限。

最后，這種電源還必須能與此類低功耗電源一起工作—最小電流 4mA，最大電流 20mA。由于這種電流所產(chǎn)生的電壓為環(huán)路的多余電壓，因此電源必須接受一個(gè)寬輸入電壓范圍，并且仍然提供穩(wěn)定的輸出。對(duì)這種電源而言，更困難的是通過限流電源來啟動(dòng)系統(tǒng)。一般而言，啟動(dòng)期間要求更高的輸出功率，對(duì)輸出電容器充電，同時(shí)為負(fù)載提供啟動(dòng)電流。它遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)消耗的量。如果電源要在啟動(dòng)期間提供這種高功率，則其輸出功率會(huì)超出電流環(huán)路提供的量。如果出現(xiàn)這種情況，進(jìn)入電源的電壓會(huì)在電源關(guān)閉以前不斷下降。這樣，在重新開啟以前，其輸入電壓會(huì)再次上升，并不斷重復(fù)該過程。當(dāng)電源通過這種小輸入功率工作時(shí)，啟動(dòng)振蕩是我們需要克服的一個(gè)難題。

能源利用解決方案

正如前面所述，廢能利用型電源必須擁有較寬的輸入電壓范圍，能夠通過非常小的輸入功率工作，并能在通過限流電源供電時(shí)避免出現(xiàn)啟動(dòng)振蕩。TI 的 TPS62125 便是一個(gè)這種電源，因?yàn)樗ㄟ^一個(gè) 3-17V 輸入工作，僅要求 11 µA 的工作電流，并且擁有帶可調(diào)磁滯的可編程使能閾值電壓。TPS62125 產(chǎn)品說明書中建議的電路有三個(gè)小改動(dòng)：

1、給器件輸入添加一個(gè) 15V 齊納二極管，以在其承受的多余環(huán)路電壓超出其17V額定值時(shí)提供保護(hù)。如果使用一個(gè)低壓電流環(huán)路系統(tǒng)，則無需使用這種二極管。最大電壓控制在 15.6V 的齊納二極管可以獲得較好的結(jié)果。

2、給器件輸入端添加大容量電容，以存儲(chǔ)足夠的能源，用于啟動(dòng)和負(fù)載變化。根據(jù)啟動(dòng)期間負(fù)載的功率需求情況，可能會(huì)不需要使用這種電容器?？傆?jì)約200 µF　的電容，便可讓舉例負(fù)載實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)，其在啟動(dòng)時(shí)需要 3.3V、50Ma 的電源持續(xù)供電30ms，而啟動(dòng)以后則只需要 10mA 的電流。大容量電容還可為可能出現(xiàn)的定期高功率需求提供存儲(chǔ)能源，例如：溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器讀取操作或者通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)。

3、對(duì)器件的使能閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣器件便可在其電壓達(dá)到 12V 時(shí)開啟。對(duì)器件編程，讓其在輸入降至 4V 時(shí)關(guān)閉。一旦啟用，器件便高效地將這種重新得到利用的能源轉(zhuǎn)換為其 3.3V 輸出。

例如，一個(gè)電源解決方案，我們選擇 4V 作為關(guān)閉電壓，目的是提供輸入電壓到輸出電壓的規(guī)定余量，從而讓器件能夠保持 3.3V 穩(wěn)壓輸出。使用 12V 的開啟電壓，用于滿足系統(tǒng)的各種要求。我們假設(shè)，24V 電源的變化范圍為 18V 到 30V 之間，并且電流環(huán)路壓降共計(jì)為 6V 最大值，從而讓器件在極端情況時(shí)承受 12V 的最小值。因此，我們選擇 12V 作為啟動(dòng)電源的點(diǎn)，因?yàn)樗瞧骷赡軙?huì)承受的最小電壓。另外，12V 最小電壓可以在開啟電壓和關(guān)閉電壓之間實(shí)現(xiàn)充分的間隔，這樣電源便在沒有啟動(dòng)振蕩的情況下啟動(dòng)進(jìn)入高功率負(fù)載狀態(tài)。

上述電源解決方案通過 TI 的 XTR111 啟動(dòng)和關(guān)閉。XTR111 是一個(gè) 4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器，能夠始終提供 4Ma 以下的電流。圖 3 顯示了這種解決方案的啟動(dòng)情況。發(fā)送器啟用以后，它便開始提供電流，其將輸入電壓升高至電源的 12V 開啟點(diǎn)。電源輸出電壓上升進(jìn)入調(diào)節(jié)區(qū)域，然后立即提供 50 mA 的負(fù)載啟動(dòng)電流。這會(huì)稍微降低電源的輸入電壓，但電源保持對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，原因是其寬電壓范圍和大容量輸入電容器。負(fù)載啟動(dòng)能耗持續(xù) 30ms 以后，負(fù)載電流減少至穩(wěn)定狀態(tài)，即 10mA 電平。輸入電壓進(jìn)一步上升，并受齊納二極管控制，保持在 15V 電平。正如我們已經(jīng)注意到的那樣，電流環(huán)路提供的電流始終保持在4mA以下。

圖 3 廢能利用型電源的啟動(dòng)