兩線(xiàn)制變送器微功率隔離電源設計

關(guān)于兩線(xiàn)制變送器微功率隔離電源設計，我們來(lái)先看看變送器是什么?傳感器是能夠受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱(chēng)，通常由敏感元件和轉換元件組成。當傳感器的輸出為規定的標準信號時(shí)，則稱(chēng)為變送器。而常見(jiàn)的類(lèi)型有功率變送器，電流電壓變送器等等。

在開(kāi)發(fā)低功耗的智能兩線(xiàn)制變送器時(shí)，儀器內部的微功率電源設計十分關(guān)鍵。首先，一般情況下具有微處理器的智能變送器要滿(mǎn)足微控制器、A/D、D/A及通訊電路的供電，需要比普通4~20mA變送器更大的功率，需要內部電源具有更高的供電效率.另外，對于電容傳感器和熱電偶，還要考慮接地或者傳感器可能碰殼(接地)的情況，所設計的變送器電路必須是輸入與輸出相隔離的，這樣才能夠保證后續控制系統的正常工作和抗共模干擾能力。由于外部電路為兩線(xiàn)制變送器系統提供的工作電流最大4mA,這些具體要求給系統電源的設計帶來(lái)了很大的難度和挑戰。設計的微輸入功率的隔離式兩線(xiàn)制變送器電源采用全集成電路設計，具有結構簡(jiǎn)單、性能穩定、成本低廉的特點(diǎn)。它以降落在兩線(xiàn)制變送器上的12~35VDC為輸入電源，設計了簡(jiǎn)潔的恒流穩壓前端輸入電路，固定消耗315mA電流，提供了兩組互相隔離的3V電源。與輸入不隔離的一組最大具有5mA負載能力，與輸入隔離的一組最大具有3mA負載能力，完全滿(mǎn)足輸入與輸出隔離型的兩線(xiàn)制變送器對電源的要求。

1.整體設計

圖1為電源原理圖。它由3個(gè)主要部分組成：U1、R1和Z1構成的315mA/812V恒流穩壓電路;由U2為核心構成的DC/DC變換電路;由L2和U3構成的一組隔離電源。系統設計力求精簡(jiǎn)、高集成度，并且所有元器件都選擇了能夠工作于-40~85℃擴展工業(yè)級溫度區間的產(chǎn)品，能夠保證電源可靠應用于現場(chǎng)變送器。

圖1　電源原理圖

1.1恒流穩壓電路

作為給兩線(xiàn)制變送器供電的電源，必須保證最大工作電流不超過(guò)4mA,考慮到變送器需要有一定的低零點(diǎn)輸出指示，一般系統供電標準為315mA以下，同時(shí)，這類(lèi)電源必須具有恒流特性，以保證兩線(xiàn)制變送器的工作特性。設計恒流源的方法很多，該設計采用了三端可調穩壓器LM317L來(lái)設計恒流源[2].

LM317L是三端可調穩壓器，圖2是它的典型應用。圖2(a)是它作為標準穩壓器時(shí)的基本應用，此時(shí)在它的輸出端與調整端之間固定產(chǎn)生一個(gè)穩定的壓差，典型值為1125V,因此，它的輸出電壓VO=1125(1+Ra/Rb)。利用LM317的輸出端于調整端之間具有穩定壓差的特性，它也經(jīng)常被用來(lái)設計恒流源，圖2(b)是典型應用電路，它產(chǎn)生的電流大小為I=1125/R.參見(jiàn)圖1,設計中R1取值為360Ω，故可以獲得約315mA的恒流?？紤]到后續的DC/DC芯片的工作電壓范圍為4~11V,同時(shí)考慮到實(shí)際電源的輸出功率大小，使用了1個(gè)812V的穩壓管Z1完成并聯(lián)穩壓功能，同時(shí)為U2提供穩定的入口電壓，條件是U2總消耗電流小于314mA,Z1必須選擇在小于011mA擊穿電流時(shí)即可穩定的優(yōu)質(zhì)穩壓管(可選用Philips公司的產(chǎn)品，最低靜態(tài)穩定電流僅幾十μA)。

圖2　LM317L典型應用圖

電路前端的D1為防反相二極管，一般采用1N4148即可。熔絲選擇了PTC器件自恢復保險絲，指標為100mA/60V,保證電源故障時(shí)不影響外部供電電源。

由于電源的最終應用場(chǎng)合為現場(chǎng)變送器，它所處的環(huán)境溫度變化范圍是比較大的，因此必須考慮到溫度漂移的因素。電源的主要溫漂就是恒流的漂移，產(chǎn)生的原因是LM317L的基準壓差的溫度漂移以及恒流電阻R1的溫度漂移。實(shí)際電路中，R1選擇了溫度系數低于5×10-6/℃的產(chǎn)品，溫漂可以忽略不計。LM317L的基準壓差與溫度關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3,在-40~85℃的溫度范圍內，溫度的影響較明顯，在高精度應用時(shí)必須進(jìn)行補償?？紤]到電源的實(shí)際應用都是針對智能變送器的，在智能變送器系統中，出于對傳感器校正以及線(xiàn)路補償等目的，變送器電路中都會(huì )設計溫度傳感器，如LM75或者TC77等數字測溫芯片，故此電路沒(méi)有設計專(zhuān)門(mén)的硬件補償，而是提供了一個(gè)軟件補償的算法，用戶(hù)在應用電源的時(shí)候可以采用它對電源的溫度漂移進(jìn)行補償。

圖3　LM317L基準溫度特性曲線(xiàn)圖