兩線(xiàn)制變送器微功率隔離電源設計

如圖3所示，LM317L的基準壓差與溫度關(guān)系曲線(xiàn)近似于簡(jiǎn)單的三次多項式函數關(guān)系形式，只需要設計Y軸反向的補償函數即可，系統以20℃為補償基點(diǎn)進(jìn)行校準，具體補償公式為ΔI=A(t-20)2+B(t-20)3式中t為環(huán)境溫度。

系數A和B可以依據實(shí)際采用的LM317L芯片手冊提供的基準電壓溫度曲線(xiàn)導出，最簡(jiǎn)單的做法就是取-20℃和60℃2個(gè)點(diǎn)，獲取2個(gè)二元一次方程來(lái)求解A和B.

這樣就能很容易獲取一個(gè)擬合程度比較好的補償曲線(xiàn)近似函數，補償后的溫度漂移影響基本可以忽略不計。112 DC/DC變換電路

由于電源最大的設計難點(diǎn)是輸入功率極小，因此對于隔離端的設計不能采用功耗比較大的隔離反饋模式，實(shí)際電路采用了副邊開(kāi)環(huán)的方式。具體使用MAX639來(lái)設計DC/DC核心電路，實(shí)現了較高的電能效率轉換，在315mA供電輸入時(shí)可以提供遠大于315mA的電流給電路供電，從而解決了智能系統大電流的需求。

根據系統的要求，核心芯片必須具備微功耗、高效率、輸入電壓范圍寬，以及外圍器件簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖1中DC/DC芯片為MAXIM公司的MAX639[3],它是降壓型DC/DC轉換芯片，它的主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍寬(4~1115V);轉換效率高(可達90%以上);靜態(tài)電流低(10μA);可固定輸出或可調輸出。

電路設計為可調輸出，輸出設定為3V.輸出電流

Io=(Vi Ii η)/Vo

式中：Vi為輸入電壓;Ii為輸入電流;η為轉換效率;Vo為輸出電壓。

電路中Vi=812V,Ii=315mA,η=90%,Vo=3V,在不考慮隔離副邊輸出時(shí)，可獲得的Io約為816mA,這個(gè)輸出電流在微功耗系統中已經(jīng)是比較大的供給能力了。以上Io的計算只是理論上的，要想在315mA/812V這樣微輸入功率的條件下使電路可靠啟動(dòng)，并獲得90%以上的轉換效率需要對電路進(jìn)行非常細致的設計。

DC/DC的可靠啟動(dòng)是由許多條件制約的，必要的條件就是必須提供足夠大的啟動(dòng)脈沖電流。在Z1旁并聯(lián)了1只10μF的鉭電解電容C2提供啟動(dòng)保證，同時(shí)也能夠有效避免DC/DC的工作對LM317的恒流特性產(chǎn)生干擾。

電感L1對DC/DC的轉換效率起決定作用，MAXIM手冊提供的算法是L1=50/IO,L1的單位是μH,IO的單位是A.實(shí)際電路中L1的取值為4mH,能夠保證電路在最大輸出功率下穩定工作，同時(shí)又能夠保證足夠高的轉換效率。需要強調的是，如果L1偏小，電路的轉換效率將降低，啟動(dòng)電流增大，甚至無(wú)法啟動(dòng)。如果L1偏大，則會(huì )造成輸出能力下降，同時(shí)DC/DC電路將可能產(chǎn)生振蕩。

為保證電路的穩定，DC/DC芯片對輸出電容C3有著(zhù)很高的要求，最重要的一點(diǎn)就是它的等效串聯(lián)電阻ESR必須足夠小[4],同時(shí)要有足夠的容量。電路設計采用了性能優(yōu)良的10μF鉭電解電容器，能夠保證穩定的輸出。

DC/DC芯片是該電路的核心，實(shí)際電路線(xiàn)路布局對電路的性能影響非常大，尤其對輸出的紋波有直接影響，不合理的電路板布局設計甚至會(huì )在輸出帶來(lái)額外的寄生振蕩，設計時(shí)必須注意。最重要的原則就是C2與LI引線(xiàn)端要盡量靠近MAX639引腳，C2、D2、MAX639、R3以及C3的接地引腳盡量靠近，盡量使用粗線(xiàn)，最好使用地平面。

DC/DC的輸入電壓設定為812V,由Z1保證，如果實(shí)際的變送器要求的電源功率比較小，Z1則可以選擇更低的穩壓值，這樣能夠使整個(gè)電源對入口電壓要求更低。設計的入口電壓低限為12V,如果Z1選擇612V,則入口低限電壓可以降低到10V.

1.3隔離電源繞組

電路的主要特色是提供了一個(gè)隔離的供電繞組，它采用了在DC/DC輸出儲能電感上竊電的方法。如圖1所示，L2就是這個(gè)隔離電源的供電線(xiàn)圈。由于這組隔離電源是在DC/DC的儲能線(xiàn)圈上加載的副線(xiàn)圈，結構為開(kāi)環(huán)形式，因此它的輸出穩定性相對比較差，在整體設計時(shí)必須從多角度統籌考慮，才能夠獲得滿(mǎn)意的效果。

首先要確定它的輸出功率。由于采用在儲能線(xiàn)圈上竊電的方法，它的輸出功率是受限制的，只能小于原邊輸出功率。這組隔離電源輸出在具體變送器應用時(shí)主要為傳感器轉換電路、前端A/D轉換器和隔離電路供電。差動(dòng)電容傳感器、熱電偶傳感器及熱電阻等傳感器的模擬測量電路耗電是μA級的，前端A/D一般采用多積分型或者Σ-Δ型A/D,耗電小于1mA,低功耗光電隔離整體也能夠作到1mA以下。因此，隔離繞組只要保證能提供3mA的電流就能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要，已經(jīng)計算出在無(wú)副繞組情況下，電路最大輸出為816mA,顯然在有副繞組的情況下，完全可以為它提供3mA電流。

其次，隔離繞組由于采用開(kāi)環(huán)結構，原邊負載的變化直接影響副邊的穩定性，因此電路在實(shí)際使用時(shí)，要求原邊的電路系統在運行時(shí)需要盡可能保證功耗的穩定性，盡量避免對功耗比較大的器件使用工作/休眠輪換的方式。電路能夠為原邊提供最大5mA的使用電流，完全能夠滿(mǎn)足常用微功耗MCU控制系統的工作，不需要使用休眠方式，這樣做還能夠獲得最大的系統運行速度。

最后，由于隔離電源繞組主要為前端小信號模擬電路供電，對電源的質(zhì)量要求較高，因此設計時(shí)將低壓差線(xiàn)性穩壓器和DC/DC轉換器配合使用。將經(jīng)DC/DC轉換的輸出低電壓經(jīng)過(guò)低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)的降噪和穩壓處理，這樣取長(cháng)補短，既可以提高供電效率，又可滿(mǎn)足紋波電壓小的要求，具體LDO采用了MAX1726芯片[5],它的工作電流僅2μA,輸出為313V.穩壓前的輸出幅度取決于原邊的輸出功率和L2的電感量，經(jīng)試驗確定，L2為3mH,當原邊電流在3~5mA之間變化，副邊電流為2mA時(shí)，穩壓前電壓在318~418V之間波動(dòng)，滿(mǎn)足LDO穩壓對輸入的要求。

2.結論兩線(xiàn)制變送器隔離式電源具有使用溫度范圍寬、輸入電壓范圍寬、輸出效率高、集成度高、隔離性能好、體積小、成本低等特點(diǎn)，是一種穩定可靠的兩線(xiàn)制變送器電源，能夠滿(mǎn)足各種具有復雜要求的兩線(xiàn)制變送器的使用。該電源目前已經(jīng)在一體化智能溫度變送器上獲得應用，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的現場(chǎng)應用考驗，性能優(yōu)良，完全達到了隔離型兩線(xiàn)制變送器的使用要求。