微功率隔離電源設計

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。

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

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。

1.2 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 Iiη）/Vom

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