給工業(yè)應用中的智能傳感器變送器供電

　　智能傳感器變送器在工廠自動化、生產(chǎn)過程用檢測儀表和控制設備中得到了廣泛的應用，用于測量溫度、壓力、流量、水平面和許多其他的過程變量。圖 1 是現(xiàn)場變送器的方框圖，其采用一個電阻式溫度檢測器 (RTD)、熱敏電阻或熱電偶來測量主要的變量。

　　圖 1：針對過程控制應用的溫度變送器方框圖

　　該信號鏈路包括傳感器模擬前端、微控制器 (MCU) 以及高精度模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器。

　　依靠 4-20mA 環(huán)路給智能傳感器供電

　　雖然基本傳感器變送器電路的 MCU 和數(shù)據(jù)轉換器通常專為低工作電流而優(yōu)化，但是高性能智能傳感器應用中增加的功能導致了電流需求的升高。例如：當該電路包含了諸如隔離、校準和診斷、液晶顯示器接口、或無線連接選項(如藍牙低能耗或無線 HARTa)等特性時，電流消耗將較大。

　　此類智能傳感器系統(tǒng)將也許不能滿足 4-20mA 環(huán)路的典型欠標度電流門限或 4mA 零標度電流水平。例如：標定 TI DAC161S997 的低誤差電流和高誤差電流的默認環(huán)路電流分別為 3.375mA 和 21.75mA。NAMUR NE43 規(guī)格具有相似的電流門限。幸運的是，一款高效率同步降壓型轉換器可提供高于低壓差穩(wěn)壓器的輸出電流來給傳感器電子電路供電，同時從環(huán)路收集小于 3.375mA 的電流。

　　寬 VIN、低 IQ同步降壓型轉換器

　　對于給傳感器充電，由 TI 提供的LM5165同步降壓型解決方案擁有高效率和超低的靜態(tài)電流 (IQ = 10.5μA)。由于采用一個 20:1 寬輸入電壓 (VIN) 范圍工作并能夠承受重復的 65V 浪涌，因此其輸出電壓對于輸入端上含噪聲的大電壓擺幅具備耐受力。這種抗瞬變性能在要求高可靠性的傳感器應用中是至關重要的。

　　輸入濾波器和保護寬 VIN低 IQ同步降壓型轉換器

　　圖 2：脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 同步降壓型轉換器原理圖，包括一個 EMC 濾波器和保護電路

　　圖 2 示出了針對一個 5V/25mA 輸出配置的轉換器原理圖。增設一個擁有反向極性和瞬變/ 浪涌電壓保護功能的輸入濾波器有助于實現(xiàn)電磁兼容性 (EMC)。

　　LM5165中內(nèi)置的面向智能傳感器應用的各種特性包括一種用于實現(xiàn)最佳解決方案尺寸的簡單控制架構、用于提供低壓差的 100% 占空比能力、一個用于電源軌排序和故障報告的漏極開路電源良好指示電路、在內(nèi)部固定或從外部可調(diào)的軟起動 (SS)、以及具有可定制遲滯以提供可編程線路欠壓閉鎖 (UVLO) 功能的高精度啟用。而且，一種可調(diào)的逐周期電流限制優(yōu)化了電感器選擇和尺寸。圖 3 顯示出了對于 0.1mA 至 30mA 負載電流的轉換器效率和功率耗散。

　　圖 3：LM5165 降壓型轉換器的典型效率(輸出額定值針對 5V/25mA 擬訂)

　　寬 VIN、低 IQ降壓型轉換器的價值定位

　　諸如LM5165等寬 VIN降壓型轉換器的優(yōu)勢在于其可滿足一組特定電源解決方案需求的連貫統(tǒng)一特性集：

　　可在寬負載電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率的同步降壓設計;

　　改善的可靠性(額定工作結溫達 150°C);

　　具有足夠裕量的寬 VIN范圍可安全耐受輸入電壓瞬變擾動，因而允許使用一個較高電壓(和較小占板面積)的瞬變抑制器二極管 (TVS);

　　小的解決方案尺寸適用于空間受限的傳感器外殼;

　　減小了輸入電容以滿足本質(zhì)安全 (IS)應用環(huán)境的要求;

　　開關模式電壓的主動轉換速率控制減少了高頻傳導及輻射 EMI 特征;

　　為了充分發(fā)揮新式環(huán)路供電型傳感器變送器的潛能并保持簡單的兩線式架構，一款低 IQ同步降壓型轉換器可提供足夠的負載電流，同時滿足電流環(huán)路、解決方案尺寸、可靠性和 EMC 要求。

　　其他資源

　　歡迎您在 TI 的模擬精密技術雜談 (Precision Hub blog) 中閱讀更多有關兩線式、4-20mA傳感器變送器的內(nèi)容。

　　歡迎訂購用于LM5165同步降壓型轉換器的 PFM 和恒定導通時間評估模塊。

　　歡迎采用LM5165快速啟動設計工具以加速設計進程，并仔細觀察在輸出電流的對數(shù)及線性標度上繪制的轉換器效率曲線。

　　查看單芯片變送器參考設計中的 TI Designs MSP430? HART 協(xié)議 + 調(diào)制解調(diào)器，這是一款把MSP430 微控制器用于 HART 通信的智能傳感器變送器設計。