模拟芯视界 | 设计 4-20mA 环路供电式变送器

引言

在过程控制系统中，传感器变送器收集压力、温度、流量和液位等数据，并将这些信息发送到可编程逻辑控制器 (PLC) 或分布式控制系统。

这些变送器依靠 4-20mA 的信号将数据发送到控制器。尽管出现 IO-Link 和 Profibus 等标准，但 4-20mA 信号可提供长距离恢复、可靠性、抗噪声功能以及与每个 PLC 系统的通用兼容性。

本文将概述 4-20mA 变送器结构及其工作原理，以及使用通用半导体产品实现此类变送器的设计替代方案。

4-20mA 变送器基础知识

4-20mA 变送器按功率和导线数量分为四线制、三线制和两线制等类型。本文将 重点介绍两线制类型。

图 1 中的两线制现场变送器连接现场电源和模拟输入模块，由此形成一个电流环路。现场变送器中的第一个子系统是传感子系统，它连接物理传感器、调节其输出并将信号转换为数字代码来进行处理（包括线性化和校准）。第二个子系统是发送子系统，它通过从环路中提取电源为变送器供电，通过将数字信号转换回模拟信号来发送处理数据，并控制环路电流。变送器通过将环路内的电流调节为压控电流源来传输信号。

图 1： 通用两线制 4-20mA 传感器变送器

4-20mA 变送器设计考量

4-20mA 变送器设计注意事项包括：

• 低功耗运行。

• 小封装尺寸。

• 在整个工业温度范围内提供高精度和低噪声。

• 支持 HART 协议。

• 低成本。

设计性能指标

有几个变送器性能指标需要评估：

环路合规电压 是变送器正常工作时的环路电压范围，主要由 LDO 限值决定，并受环路内的串联元件（包括保护器件）的影响。典型的环路合规电压范围为 12V 至 36V。

分辨率 是变送器可以生成的不同电流输出值的数量，它与DAC 原生分辨率直接关联。商用 4-20mA 变送器的分辨率介于 12 位和 16 位之间。

线性误差 主要由 DAC 的积分非线性决定，是整个输出范围内的最大误差（以最低有效位 [LSB] 为单位）。

噪声 通过输出噪声电流的均方根 (RMS) 来测量。这种噪声会使一些输出电平无法区分，从而降低有效分辨率。在这种情况下，有效分辨率是对噪声性能的度量。对于 16 位分辨率系统，有效分辨率预计在 13 位和 15 位之间，具体取决于信号带宽。

精度 用于测量电流输出与理想电流值的偏差。其中包括偏移量误差、增益误差和非线性误差的 RMS 总和，以及这些值的温度漂移。总体未调误差表示不准确的程度。

动态性能 包括信号带宽和变送器稳定性。带宽是指可通过环路传输的最大电流信号带宽。该带宽由 DAC 稳定时间和放大器电路带宽以及旁路晶体管的跨导决定。使用退化电阻可以消除晶体管跨导 (gm) 变化所产生的影响。通常，也会对放大器电路进行外部补偿。稳定性与环路带宽和补偿电容器值有关。减少环路关键节点上的电容值将提高稳定性。对于支持 HART 的变送器，使用外部元件来减小带宽有助于防止对 HART 信号的干扰。

电路保护功能 可保护变送器免受反向环路极性和浪涌事件等异常情况的影响。二极管可阻断反极性。如果变送器采用反极性运行，请使用整流桥，如图 3 所示。浪涌保护需要使用瞬态电压抑制器二极管（例如 TVS3301）和无源元件在高压事件期间限制电流。这些保护元件在运行期间需要一些余量，并会增加最小合规电压值。

图 3： 双线制变送器的典型保护部分

变送器电路实现

图 2 中方框图实现之间的区别在于集成方法。旁路晶体管始终是分立式元件，用于实现更好的热管理。通过添加 HART 调制解调器（例如 DAC8740H），以下所有实施方案都可以支持 HART 协议。

专用环路转换器

一种方法是使用 DAC，如具有集成电压基准和输出放大器的 DAC161S997。 该解决方案由 DAC、宽输入电压 LDO 和 NPN 晶体管组成，如图 4 所示。此实施方案消耗 130µA 的电流，具有出色的精度，而且无需校准。

DAC161S997 具有诊断功能，可在低电源电压或高电流负载的情况下检测电流环路误差，并发出低于 4mA 的低误差电流信号。

设计很简单，只需少量外部元件即可确保环路稳定性并限制浪涌电流。此方法的最高工作温度为 105°C。

图 4： 使用 DAC161S997 的两线制 4-20mA 变送器

环路变送器器件

另一种实施方案是采用 DAC8551 等低功耗 DAC，后跟 XTR115 等具有集成式 LDO、电压基准和输出放大器的专用环路变送器。 这种方法可更大限度地降低噪声，并具有不到 1% 的增益误差。

这里有几个限制条件： XTR115 的工作温度限制为 85°C，集成式 LDO 的最大输入电压为 36V。作为替代方案，XTR117 具有更小的封装，消耗更低的静态电流，并且工作温度可高达 125°C。XTR117 的集成式 LDO 可在高达 40V 的电压下工作。XTR117 未集成电压基准，因此依赖于外部基准，从而成为一个三器件解决方案：包含一个 LDO、一个 DAC 和一个电压基准，如图 5 所示。

图 5： 使用 XTR117 的两线制 4-20mA 变送器

集成 MCU 的 DAC

成本敏感型应用采用具有模拟资源的 MCU。 MSPM0G MCU 可实现变送器级实施方案，包括集成式 12 位 DAC、内部基准和输出放大器。LDO 是唯一需要的外部器件，如图 6 所示。 由于在 MCU 的数字处理中实现了模拟功能，因此与对应的专用模拟器件相比，它们的功耗相对较高。 对于需要以非常低的成本实现 11 位有效分辨率的应用而言，这种方法极具吸引力。将 VREF– 引脚用作内部基准负引脚而不是地，可以提升性能。将 VREF– 引脚隔离，可将数字噪声与模拟基准隔离开来。

图 6： 使用 MSPM0G 实现的两线制 4-20mA 变送器

基于 PWM 的 DAC

使用 MCU（无集成式 DAC）的一种更通用方法依靠脉宽调制 (PWM) 来生成 DAC 输出。 简单的 PWM DAC 具有10 位至 12 位的分辨率。不过，使用双路径 PWM 和有源纹波抑制等更先进的技术，也可以实现具有 16 位分辨率的 DAC。

为了实现高的有效分辨率，使用由电压基准供电的逻辑门对 PWM 信号进行缓冲；MCU 需要适当的旁路以避免数字噪声注入环路电流。图 7 中所示的实施方案具有低功耗，在温度范围内保持稳定，并以非常低的成本实现 13 位以上的有效分辨率。

图 7： 使用 PWM DAC 实现的两线制 4-20mA 变送器

独立式低功耗 DAC

使用低功耗、独立式 DAC 实现 4-20mA 变送器（如图 8 中的 AFE88101 等）时，可实现出色的分辨率和线性性能。为了进一步降低功耗，REF35125 等低功耗电压基准可将电流降至 180µA。此外，AFE88101 还具有丰富的诊断功能，并包括一个 12 位 ADC 和定义的失效防护模式。

AFE881H1 与 AFE88101 引脚对引脚兼容，具有集成式 HART 调制解调器，适用于支持 HART 的紧凑型变送器。启用 HART 时，AFE881H1 具有低电流消耗。HART 调制解调器在运行期间通常消耗 10µA 电流，因此对于支持 HART 的低功耗变送器而言，它是一款理想器件。AFE88101 的另一个特性是与 1.8V 逻辑电平兼容，从而实现低电压数字运行，进一步降低 MCU 输入/输出侧的功耗，并减少电磁发射。

图 8： 使用 AFE88101 实现的两线制 4-20mA 变送器

采用 DAC8311 DAC、LDO 和外部低功耗基准的低成本变体方案以 130µA 电流运行，而且仍能实现适当的性能。

实施方案比较

表 1 和表 2 展示了每种实施方案及其建议的物料清单 (BOM) 和预期性能。 性能数据通过有限的测量得到。

表 1： 4-20mA 变送器的设计方案、建议的 BOM 和性能（MSPM0 DAC12、使用 M0 的 PWM、XTR117）

结语

在设计 4-20mA 变送器时，此选择过程可帮助您确定正确的实施方案：

• 如果您在构建一个安全系统，并需要超高精度和超低噪声性能，或在寻找一个功率低于 200µA 且支持 HART 的变送器，那么 AFE88101 和 AFE881H1 应该是您的首选。

• 如果优先考虑性能而不是功耗，则 DAC161S997 实施方案的功耗和占用空间最低，其次是 DAC8311 实施方案、XTR117 实施方案。

• 如果需要成本最低，请选择 MSPM0G 实施方案。如果其性能欠佳，下一个低成本解决方案是 PWM 解决方案。