中級電力工程師職稱論文淺析二線制變送器的電路設計

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　　【摘要】本文通過實際的電路設計，對二線制儀表設計的重點部分，電源設計和電流環電路設計，提供了詳盡的解決方案和實用電路設計，通過新型微功耗器件TLC5615/MAX409A的應用，為二線制4-20mA電流環輸出電路的設計，提供一種高精度、超低功耗的設計電路。

　　【關鍵詞】二線制;電源;TLC5615;MAX409A;功耗

　　1.引言

　　二線制儀表，是將工業現場的檢測信號，如溫度、壓力、速度、流量等參數，轉換為4-20mA的電流信號，傳送到遠距離外的控制室，以便于對生產過程進行控制。由于電流信號對噪聲不敏感，不易受寄生熱電偶和溫漂的影響，普通雙絞線上可以傳輸幾百米距離，利用250Ω取樣電阻就可以將4-20mA電流信號變為1-5V的電壓信號，不受傳輸線的電阻影響。同時，二線制儀表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的電流通斷不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤礦、石油天然氣等領域的應用越來越廣泛。同時二線制變送器具有布線簡單的特點。

　　由于二線制儀表，本身由電流環路供電，所以電流環僅能提供4mA以下的電流為儀表供電，所以對儀表的功耗提出苛刻要求，不能采用常規的方法進行電路設計，為設計人員帶來了困難，如何能設計出高性能、高精度的二線制智能儀表，是目前國內許多廠家迫切需要解決的問題。

　　本文對二線制儀表通用的電源設計和電流環電路設計，進行了詳盡的理論分析，結合多年的工業現場的實際應用，提供了簡潔實用的應用電路，采用此電路設計生產的二線制超聲波物位計，經多家工業現場實際驗證，性能穩定，產品輸出電流精度滿足設計要求。

　　2.二線制變送器系統方框圖

　　如圖1所示，4-20mA電流環路輸入的24V電壓，經過電源單元轉換為5V精密電源，為整個系統供電。主控單元控制超聲波的發射和回波信號處理，然后將處理的測量數據，通過D/A和V/I轉換單元，輸出4-20mA電流，接收端通過負載電阻(250歐姆)取出電壓信號，同時與電流環24V電源地相連構成回路。

　　圖1 二線制超聲波測量系統框圖

　　3.二線制變送器電源設計理論分析

　　二線制儀表的原理是利用了4-20mA信號為自身提供電能。如果儀表自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求二線制儀表自身耗電(包括傳感器在內的全部電路)小于4mA。

　　(1)電壓條件：在儀表電流環路中，一般取樣電阻R=250Ω。當電流I=4-20mA變化時，取樣電壓為U=1-5V之間變化。考慮到可能會串接其他儀表，以及傳輸電纜的阻抗，線路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA時，儀表兩端電壓為(24V-20mA×350Ω)=17V.4mA時，儀表兩端電壓為(24V-4mA×350Ω)=22.6V，所以儀表的工作電壓不能大于17V。

　　(2)電流條件：儀表中總功耗電流要小于4mA。

　　(3)功率條件：

　　20mA時，電流環提供的功率最大：

　　P=20mA×17V=340mW。

　　4mA時，電流環提供的功率最小：

　　P=4mA×22.6V=90.4mW。

　　所以儀表消耗的功率理論上不能大于90.4mw。

　　4.變送器電源單元設計

　　電路設計的關鍵是降低電源電壓轉換的功耗，轉換效率要高，靜態電流要小。

　　將電流環儀表兩端的17V-22.6V電壓，降壓處理，有兩種方法。

　　第一種是直接采用線性穩壓芯片，將輸入電壓穩壓到5V，這樣會造成穩壓芯片本身功耗太大，無法滿足其它電路的功率要求。

　　第二是采用開關型DC/DC芯片，又稱為BUCK降壓開關電源，電源效率一般高于85%以上，但開關型電源芯片是利用儲能電感儲能，輸出的5V電壓是脈動的，電壓紋波噪聲不能滿足D/A及CPU控制芯片的要求。

　　綜合考慮，本電路設計采用“開關型DC/DC芯片+LDO線性穩壓器”方式，即利用開關型DC/DC芯片，將電流環提供的高電壓降低，然后利用低壓差線性穩壓器來提高儀表電源的紋波抑制比。同時選擇的芯片外圍器件要少，減少能量損耗;

　　設計電路如圖2所示：

　　圖2 電源模塊電路圖

　　圖2中，L1為儲能電感33μH，D1續流二極管，FB=1.25V。開關型降壓DC/DC芯片為MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，靜態電流為15uA電壓轉換效率為95%以上，輸入電壓范圍：Vin=4.5V～24V，輸出電壓可以通過電阻R1和R2進行調節，輸出電壓可在1.25V～Vin之間變化。

　　Vout=1.25×(1+R1/R2)

　　本設計中，MAX1776輸出電壓為7V，按電源效率95%計算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

　　低壓差線性穩壓器，選擇為MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，靜態電流15uA。MAX603輸入電壓范圍是2.7V-11.5V，將引腳SET接地時，典型的輸出電壓為5V，輸出電流200mA時，典型壓差0.5V，為保證穩壓電路可靠工作，考慮脈動成分，所以設定MAX1776輸出電壓為7V。

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　　《山東電力技術》雜志是由國網山東省電力公司主管、山東電機工程學會和山東電力研究院聯合主辦的中文科技期刊，1974年創刊。原名《電力技術情報》，季刊。1983年第35期始更名為《山東電力技術》。從1984年第一期始，《山東電力技術》改由山東電機工程學會和山東電力試驗研究院合辦，既是山東電機工程學會的會刊，又是山東電力系統的科技期刊。