耗電流低于200 μA的低功耗4 mA至20 mA過程控制電流環路

mA至20 mA電流環路廣泛用于采用數字或模擬輸入輸出的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)。

電路功能與優勢

圖1所示電路是一個4 mA至20 mA電流環路發送器，用于過程控制系統與其執行器之間的通信。除具有高性價比外，此電路還是業界功耗最低的解決方案。電流環路接口之所以頗受青睞，是因為它能以高性價比方式進行長距離抗擾數據傳輸。低功耗雙通道運算放大器AD8657 、DACAD5621和基準電壓源ADR125的組合，可以為微控制器和數字隔離器等更高功耗器件提供更多功耗預算。此電路輸出電流為0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范圍一般對應表示DAC或微控制器的輸入控制范圍，0 mA至4 mA的輸出電流范圍則常用于診斷故障條件。

圖1 PIC32MX795F512方框圖

12位、5 V AD5621需要75 μA的電源電流(典型值)。AD8657是一款軌到軌輸入/輸出雙通道運算放大器，而且是目前業界功耗最低的放大器之一(在整個電源電壓和輸入共模范圍內，其耗電流為22 μA)，工作電壓最高可達18 V。ADR125是精密微功耗5 V帶隙基準電壓源，僅需要95 μA電源電流。這三個器件總共消耗192 μA的電源電流(典型值)。

電路描述

對于工業和過程控制模塊，4 mA至20 mA電流環路發送器用作控制單元與執行器之間的通信手段。12位DAC AD5621位于控制單元，根據輸入代碼產生0 V至5 V之間的輸出電壓VDAC。代碼通過SPI接口設置，輸入代碼與輸出電壓之間的理想關系可用下式表示：

其中：

VREF為ADR125的輸出電壓和AD5621的電源電壓

D是載入AD5621的二進制代碼的十進制等效值

DAC輸出電壓設置流過檢測電阻RSENSE的電流

流過RSENSE 的電流作為VDAC 的函數在0 mA至2 mA范圍內變化。此電流會在R1兩端產生一個電壓，并設置AD8657放大器(A2)的同相輸入端電壓。A2 AD8657使環路閉合，并將反相輸入端電壓拉至與同相輸入端相同的電壓。因此，流過R1的電流以10倍的系數鏡像到R2，這可以通過公式3表示：

VDAC 的范圍為0 V至5 V，因此該電路產生的電流輸出范圍為0 mA至20 mA。

AD5621是一款12位DAC，屬于 nanoDAC系列，采用基準電壓源ADR125的5 V輸出電壓工作。它有一個片內精密輸出緩沖器，該緩沖器能夠提供軌到軌輸出擺幅，因此其動態輸出范圍非常高。電源電壓為5 V時，AD5621消耗的電源電流為75μA(典型值)。

圖 2. 0 mA至20 mA輸出電流

圖3 輸出電流誤差圖

此外，本電路解決方案需要一個軌到軌輸入放大器，雙通道運算放大器AD8657是絕佳選擇，具有低功耗和軌到軌特性。在額定電源電壓和輸入共模電壓范圍內，該運算放大器的工作電源電流為22μA(典型值)。它還提供出色的單位電流噪聲和帶寬性能。AD8657是功耗最低的放大器之一，工作電源電壓最高可達18 V。

ADR125是一款精密、微功耗、低壓差(LDO)基準電壓源。輸入電壓為18 V時，靜態電流僅95μA(典型值)。之所以首選LDO基準電壓源，是因為它能使從控制單元到執行器的環路電線承受更多壓降。為了保持穩定，ADR125的輸出端需要一個0.1 μF小電容。另外再并聯一個0.1μF至10μF電容可以提高負載瞬態響應性能。雖然輸入電容不是必需的，但建議使用。輸入端可以串聯一個1μF至10μF的電容，以改善電源電壓突然變化時的瞬態響應性能。再并聯一個0.1 μF電容同樣有助于降低電源噪聲。

還需要旁路電容(圖1中未顯示)。本例中每個雙通道運放的每個電源引腳上都應有一個10μF鉭電容與一個0.1 μF陶瓷電容并聯。

該電路解決方案輸出0mA至20mA的電流。圖2顯示在250 Ω負載電阻中測得的電路輸出電流。圖3所示為輸出電流誤差圖。

常見變化

對于14位或16位分辨率的解決方案，請考慮采用AD5641 或AD5662，16 V CMOS運算放大器ADA4665-2 是另一個選擇，可以代替AD8657，它的性價比更高，電壓噪聲更低，但缺點是電源電流較高。針對此類應用選擇放大器時，務必確保不要超出輸入共模電壓和電源電壓范圍。

對于更高的電源電壓，請考慮采用基準電壓源ADR02 ，其工作電源電壓最高可達36 V。