給工業(yè)應(yīng)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(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程用檢測(cè)儀表和控制設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，用于測(cè)量溫度、壓力、流量、水平面和許多其他的過(guò)程變量。圖 1 是現(xiàn)場(chǎng)變送器的方框圖，其采用一個(gè)電阻式溫度檢測(cè)器 (RTD)、熱敏電阻或熱電偶來(lái)測(cè)量主要的變量。

　　圖 1：針對(duì)過(guò)程控制應(yīng)用的溫度變送器方框圖

　　該信號(hào)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(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器通常專(zhuān)為低工作電流而優(yōu)化，但是高性能智能傳感器應(yīng)用中增加的功能導(dǎo)致了電流需求的升高。例如：當(dāng)該電路包含了諸如隔離、校準(zhǔn)和診斷、液晶顯示器接口、或無(wú)線連接選項(xiàng)(如藍(lán)牙低能耗或無(wú)線 HARTa)等特性時(shí)，電流消耗將較大。

　　此類(lèi)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(biāo)度電流門(mén)限或 4mA 零標(biāo)度電流水平。例如：標(biāo)定 TI DAC161S997 的低誤差電流和高誤差電流的默認(rèn)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(mén)限。幸運(yùn)的是，一款高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器可提供高于低壓差穩(wěn)壓器的輸出電流來(lái)給傳感器電子電路供電，同時(shí)從環(huán)路收集小于 3.375mA 的電流。

　　寬 VIN、低 IQ同步降壓型轉(zhuǎn)換器

　　對(duì)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(gè) 20:1 寬輸入電壓 (VIN) 范圍工作并能夠承受重復(fù)的 65V 浪涌，因此其輸出電壓對(duì)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(yīng)用中是至關(guān)重要的。

　　輸入濾波器和保護(hù)寬 VIN低 IQ同步降壓型轉(zhuǎn)換器

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

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

　　LM5165中內(nèi)置的面向智能傳感器應(yīng)用的各種特性包括一種用于實(shí)現(xiàn)最佳解決方案尺寸的簡(jiǎn)單控制架構(gòu)、用于提供低壓差的 100% 占空比能力、一個(gè)用于電源軌排序和故障報(bào)告的漏極開(kāi)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(dòng) (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(duì)于 0.1mA 至 30mA 負(fù)載電流的轉(zhuǎn)換器效率和功率耗散。

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

　　寬 VIN、低 IQ降壓型轉(zhuǎn)換器的價(jià)值定位

　　諸如LM5165等寬 VIN降壓型轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)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(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的同步降壓設(shè)計(jì);

　　改善的可靠性(額定工作結(jié)溫達(dá) 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(dòng)，因而允許使用一個(gè)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(yīng)用環(huán)境的要求;

　　開(kāi)關(guān)模式電壓的主動(dòng)轉(zhuǎn)換速率控制減少了高頻傳導(dǎo)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(jiǎn)單的兩線式架構(gòu)，一款低 IQ同步降壓型轉(zhuǎn)換器可提供足夠的負(fù)載電流，同時(shí)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(shù)雜談 (Precision Hub blog) 中閱讀更多有關(guān)兩線式、4-20mA傳感器變送器的內(nèi)容。

　　歡迎訂購(gòu)用于LM5165同步降壓型轉(zhuǎn)換器的 PFM 和恒定導(dǎo)通時(shí)間評(píng)估模塊。

　　歡迎采用LM5165快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)工具以加速設(shè)計(jì)進(jìn)程，并仔細(xì)觀察在輸出電流的對(duì)數(shù)及線性標(biāo)度上繪制的轉(zhuǎn)換器效率曲線。

　　查看單芯片變送器參考設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。