智能二線制設(shè)備中的低功耗設(shè)計(jì)

摘要：以智能電氣閥門定位器的控制電路為例，討論了低功率二線制的一種實(shí)現(xiàn)方法。由于是4～20mA二線制供電，所以在設(shè)計(jì)中采取了一系列措施，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行，達(dá)到了二線制供電的基本指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：二線制 低功耗 智能閥門定位器

符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)用于非智能型設(shè)備的控制已有數(shù)十年的歷史。由于微控制器（MCU）技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了符合4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、不使用額外電源供電的智能型設(shè)備，被稱作智能型二級(jí)制設(shè)備。

所謂二線制，是指整個(gè)設(shè)備與外界之間只有兩根導(dǎo)線相關(guān)聯(lián)，電源和信號(hào)線共用這兩根導(dǎo)線，設(shè)備的供電完全從控制信號(hào)中取出。這種智能二線制設(shè)備除了布線簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)外，更主要的是它易于達(dá)到"本質(zhì)安全"的防火防爆要求，在石油、化工等工控領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。由于此類設(shè)備應(yīng)能在低于4mA的電流下正?？煽康毓ぷ?，就對(duì)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了一定難度。

控制電路的構(gòu)成

智能二線制電-氣閥門定位器有兩路輸入信號(hào)：一路是4～20mA的電流信號(hào)，表示閥門的開度（0～100%）；另一路是由旋轉(zhuǎn)電位器給出的閥門實(shí)際開度反饋信號(hào)。當(dāng)二者不一致時(shí)，經(jīng)MCU進(jìn)行誤差運(yùn)算給出兩路控制信號(hào)，打開或關(guān)閉相關(guān)的進(jìn)氣或排氣控制閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)閥門的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

由壓電陶瓷片組成的控制閥的驅(qū)動(dòng)需要24V的高壓，記錄控制參數(shù)需要EEPROM，要有LCD（液晶顯示器）和按鍵來提供人機(jī)接口，信號(hào)采集需要兩路12位A/D變換，單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心。所有這些器件及其外圍電路的總體供電電流應(yīng)小于4mA。

電-氣閥門定位器的輸入只是一個(gè)4～20mA的電流信號(hào)，因此我們首先精心設(shè)計(jì)了電源變換器部分，把輸入的電流變換成3.3V和24V兩組電壓，供微控制器和其他外圍器件使用。這部分電路相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電源，其基本思想是先將輸入電流轉(zhuǎn)化為一個(gè)較低的電壓，再通過振蕩器產(chǎn)生振蕩，最后通過整流、濾波以及線性穩(wěn)壓得到所需的電壓值，從而起到一個(gè)直流變壓（DC/DC變換）的作用。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要自己繞制變壓器。

低功耗設(shè)計(jì)

對(duì)于二線制系統(tǒng)，盡量低的功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所追求的目標(biāo)，也是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。系統(tǒng)所允許的最大功耗可以這樣估算：若允許輸入電流有10%的波動(dòng)，信號(hào)線上的最小電流實(shí)際上只有3.6mA。假定在輸入端能取出10V電壓，則整個(gè)系統(tǒng)的功耗不應(yīng)大于36mW。如此低的功耗，要供給MCU、ADC、LCD、EEPROM運(yùn)放等外圍器件，以及產(chǎn)生高電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷閥，就要求在器件選擇上和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上多下功夫。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，采取了多種措施來降低功耗。

·在電路設(shè)計(jì)上，盡量減少功率消耗，提高各部分的供電效率。

·在電路的實(shí)現(xiàn)上，選用低功耗或微功耗器件。在電路中使用的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC1594L、運(yùn)放LT1178、線性穩(wěn)壓器LT1521、EEPROM93LC46A等，均為低功耗或微功耗器件。

·降低器件的工作電壓。MCU及其外圍器件的工作電壓降低到3.3V。

·降低MCU的工作頻率。微控制器的總線頻率降低到1.0MHz。

·充分利用器件的省電方式或空閑方式。很多器件都具有這樣的工作方式，很多器件都具有這樣的工作方式，如Motorola MC68HC05L16在WAIT方式下功耗降低60^，LTC1594L在空新生方式下的靜態(tài)電流可降低為1nA。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)進(jìn)行必要的處理，不用器件時(shí)令其進(jìn)入省電方式或空閑方式，就可以大大降低系統(tǒng)的平均功耗。

下面簡(jiǎn)單介紹一下電路中使用的低功耗或微功耗器件，它們主要是Motorola公司、Linear Technology公司和Microchip公司的產(chǎn)品。

（1）微控制器-MC68HC05L16

Motorola公司的MC68HC05L16 8位微控制器，為80引腳QFP封裝。它的工作電壓可低至2.2V，具有16K字節(jié)ROM和512字節(jié)片上RAM、39條并口線、中斷輸入端、定時(shí)器、簡(jiǎn)單串行外設(shè)接口SSPI等。并且具有低功耗的WAIT和STOP工作方式。

MC68HC05L16是為帶有LCD的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主要用來驅(qū)動(dòng)段式LCD，驅(qū)動(dòng)方式為動(dòng)態(tài)掃描。它可支持多達(dá)4個(gè)背極和39個(gè)前極，總段數(shù)156段。

為降低功耗，在MCU的功耗和速度之間取了某種折衷。我們把MCU的總線頻率降低到1MHz，同時(shí)把它的工作電壓降低到3.3V。這樣，MCU在正常狀態(tài)下的供電電流典型值1.8mA，WAIT節(jié)電方式下供電電流典型值0.8mA。

（2）微功耗串行ADC-TC1594L

LTC1594L 是Linear Techonlogy公司的四通道12位微功耗串行ADC。其轉(zhuǎn)換方式為開關(guān)電容、逐次浙進(jìn)式轉(zhuǎn)換，帶有采樣保持。LTC1594L工作電壓可低至2.7V，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)供電電流典型值0.16mA，空閑狀態(tài)時(shí)僅1nA。在使用時(shí)需外加參考電壓源。

LTC1594L的串行接口線可與支持QSPI、SPI、MICROWIRE等標(biāo)準(zhǔn)的多種微控制器或微處理器進(jìn)行有效地通信。另外，LTC1594模擬輸入端的高輸入阻抗允許在許多應(yīng)用中直接連接傳感器，而不需要加額外的隔離級(jí)。

（3）低壓差性性穩(wěn)壓器-LT1521

LT1521-3.3是Linear Technology公司的一種低壓差、微功耗線性穩(wěn)壓器。它可以在穩(wěn)壓壓差0.5V時(shí)提供300mA的輸出電流。它的工作狀態(tài)電流12μA，備用狀態(tài)下6μA，并且耗電電流不會(huì)隨著壓差的增大而改變，因此在許多電流供電和低功耗系統(tǒng)中得到應(yīng)用。為保持穩(wěn)定，輸出端只需要1.5μF的電容。

此外，LT1521的另一個(gè)特點(diǎn)就是當(dāng)輸入端電壓低于輸出時(shí)，也不會(huì)有大的反向電流流時(shí)。這就使得它可以用于后備電源場(chǎng)合，這時(shí)它的輸出通常被拉高，而輸入端相對(duì)電壓較低或者反向，在這種情況下，只有大約5μA電流從輸出端流向大地。

（4）微功耗雙運(yùn)放--LT1178

LT1178是Linear Techonolgy公司產(chǎn)品。它在微功耗的同時(shí)保持了較高的精度，在5V室溫時(shí)消耗電流典型值17μA，失調(diào)電壓30μV，失調(diào)電流50pA。LT1178可以在低至2V的單電源下工作。

（5）微功耗2.5V基準(zhǔn)源-LT1004-2.5

LT1004-2.5是Linear Technology公司產(chǎn)品，它的特點(diǎn)是微功耗、高精度、易于使用。通常狀況下能保證在低達(dá)10μA的電流下正常工作，初始精度±20mV，溫度系數(shù)20ppm/℃。LT1004可以直接替換LM285系列，同時(shí)提供更高的精度和更低的功耗。

（6）1K位串行EEPROM--93LC46A

EEPROM選用了Microchip公司的93LC46A，屬于低功耗產(chǎn)品。由于各廠商推出的93LC46產(chǎn)在功耗、電源電壓、寫入時(shí)間、自動(dòng)擦除等方面性能都不盡相同，所以互相之間一般不應(yīng)輕易代換。對(duì)于Microchip的93LC46A，其結(jié)構(gòu)形式為128×8位，工作電壓可低至2.5V，在3V、1MHz下讀出電流最大500μA，寫入電流1.5mA，單字節(jié)寫入時(shí)間最大6ms。

結(jié)語

在一般情況下，通過恒流源向系統(tǒng)提供電流，并可逐漸減小，直至1.8mA時(shí)系統(tǒng)仍然正常工作。這表明此系統(tǒng)不但達(dá)到了二線制供電的基本要求，而且還留有一定的裕度。在對(duì)電源電路進(jìn)行必要的改進(jìn)后，相信系統(tǒng)還可以在更低的電流下工作。也就是說，完全可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充系統(tǒng)功能，比如將來的HART總線或FF總線接口，并且使速度更快、功能更強(qiáng)的MCU的引入成為可能。