4-20mA電流環(huán)路信號(hào)常用于工業(yè)環(huán)境,，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸，例如：加工溫度或者容器壓力等,。這種信號(hào)傳輸方式之所以成為人們的首選，因?yàn)樗?jiǎn)單便捷,、抗噪,、安全，并且可以在沒(méi)有數(shù)據(jù)損壞的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,。由于傳輸數(shù)據(jù)的電流相對(duì)較低,，這些電流環(huán)路還是低功耗系統(tǒng)。以前,，沒(méi)有獲得利用的功率,，或者信號(hào)傳輸過(guò)程中損失的功率，都在發(fā)送器內(nèi)耗散掉,；但現(xiàn)在,，利用現(xiàn)代集成電路以后，即使這一小部分功率也被節(jié)省下來(lái),，以支持系統(tǒng)中必需功能的正常工作。
4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)
圖1 顯示了一個(gè)典型的4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng),。一個(gè)半穩(wěn)壓式24V DC 電源同時(shí)向電流環(huán)路和發(fā)送器組件供電,。發(fā)送器對(duì)重要信號(hào)（例如：溫度、壓力和其他參數(shù)）進(jìn)行測(cè)量,，然后輸出一個(gè)2-20mA 電流,，其與該信號(hào)強(qiáng)弱成比例。該電流通過(guò)線路,，傳輸至某個(gè)接收機(jī)系統(tǒng),。之后，電流遇到電阻器形成電壓,，其通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 讀出,，然后再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理。通過(guò)連線,，連接回到為環(huán)路供電的電壓源,，這樣構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)路。
圖1 基本的4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)
工業(yè)應(yīng)用中使用這些電流環(huán)路具有諸多好處：
. 電流環(huán)路是一些簡(jiǎn)單電路,，僅要求一個(gè)簡(jiǎn)易電源,、一個(gè)完成測(cè)量然后產(chǎn)生電流的發(fā)送器、一條傳輸線以及一個(gè)接收機(jī)電路,。電源只需提供足以克服各種系統(tǒng)壓降問(wèn)題的電壓,；多余的環(huán)路電壓剛好在發(fā)送器處得到降低。由于電流較低,，僅有少量功耗,，因此發(fā)熱較少。
. 電流環(huán)路僅包含一個(gè)電流環(huán)路。因此,，根據(jù)基爾霍夫電流定律,，通過(guò)環(huán)路中所有組件的電流相等。這樣便實(shí)現(xiàn)了較高的抗噪性,，而抗噪性又是工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的關(guān)鍵,。
. 由于信號(hào)電平最低達(dá)到4mA，從而實(shí)現(xiàn)了安全性,。如果環(huán)路內(nèi)部出現(xiàn)損壞,，或者環(huán)路連接斷開，則接收機(jī)無(wú)法讀出電流,，其表明出現(xiàn)故障,，而非最低信號(hào)電平。
. 只要電源電壓高到足以克服系統(tǒng)壓降,，則代表測(cè)得信號(hào)的理想電流由發(fā)送器維持,。因此，高壓降和低成本的小規(guī)格線材用于進(jìn)行互連,，其僅要求增加電源電壓,。最為重要的是，線路允許相對(duì)較大的壓降,，便可以使用大量的連線,。這樣，受測(cè)儀器和對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的控制室之間便可實(shí)現(xiàn)物理隔離,，從而為控制室內(nèi)的人員提供安全保護(hù),。
基本系統(tǒng)改進(jìn)
我們可以利用多余的環(huán)路電壓，用于向接收機(jī)電路供電,，否則其會(huì)在發(fā)送器被降下來(lái),。圖2 顯示了一個(gè)在電流環(huán)路中插入的電源。該電源與其供電的接收機(jī)電路一起放置于控制室中——有效地將多余環(huán)路電壓轉(zhuǎn)換為有用輸出功率,。
圖2 4-20mA電流環(huán)路中多余環(huán)路電壓的利用
由于接收機(jī)電阻不再接地參考,，因此可能會(huì)需要電平移動(dòng)電路，以連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入,。任何高端分流監(jiān)測(cè)器（例如：TI INA138等）都可提供這種極為簡(jiǎn)單的電路,。這些器件對(duì)共模電壓的小檢測(cè)電阻壓降進(jìn)行測(cè)量，從而降低接收機(jī)電阻的必要壓降,。這樣便讓更多的電壓可以為電源所利用,，從而降低能源浪費(fèi)。
這種電源通常會(huì)提供經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的3.3V 輸出,，以為電平位移器,、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及控制室內(nèi)的所有其他低功耗設(shè)備供電。例如，來(lái)自TI MSP430TM 平臺(tái)的微處理器,，其對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,，然后做出決策；來(lái)自TI CC430 系列的低功耗RF 器件,，其將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至其他地方,。如果無(wú)需為特別長(zhǎng)的電流環(huán)路購(gòu)買和安接線路，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省,，則無(wú)線發(fā)送器特別有用,。這些器件的功耗必須非常低，因?yàn)檎ト∽噪娏鳝h(huán)路的多余能源數(shù)量有限,。
最后,，這種電源還必須能與此類低功耗電源一起工作—最小電流4mA，最大電流20mA,。由于這種電流所產(chǎn)生的電壓為環(huán)路的多余電壓,，因此電源必須接受一個(gè)寬輸入電壓范圍，并且仍然提供穩(wěn)定的輸出,。對(duì)這種電源而言,，更困難的是通過(guò)限流電源來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)。一般而言,，啟動(dòng)期間要求更高的輸出功率，對(duì)輸出電容器充電,，同時(shí)為負(fù)載提供啟動(dòng)電流,。它遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)消耗的量。如果電源要在啟動(dòng)期間提供這種高功率,，則其輸出功率會(huì)超出電流環(huán)路提供的量,。如果出現(xiàn)這種情況，進(jìn)入電源的電壓會(huì)在電源關(guān)閉以前不斷下降,。這樣,，在重新開啟以前，其輸入電壓會(huì)再次上升,，并不斷重復(fù)該過(guò)程,。當(dāng)電源通過(guò)這種小輸入功率工作時(shí)，啟動(dòng)振蕩是我們需要克服的一個(gè)難題,。
能源利用解決方案
正如前面所述,，廢能利用型電源必須擁有較寬的輸入電壓范圍，能夠通過(guò)非常小的輸入功率工作,，并能在通過(guò)限流電源供電時(shí)避免出現(xiàn)啟動(dòng)振蕩,。TI 的TPS62125 便是一個(gè)這種電源，因?yàn)樗ㄟ^(guò)一個(gè)3-17V 輸入工作，僅要求11 µA 的工作電流,，并且擁有帶可調(diào)磁滯的可編程使能閾值電壓,。TPS62125 產(chǎn)品說(shuō)明書中建議的電路有三個(gè)小改動(dòng)：
1、給器件輸入添加一個(gè)15V 齊納二極管,，以在其承受的多余環(huán)路電壓超出其17V額定值時(shí)提供保護(hù),。如果使用一個(gè)低壓電流環(huán)路系統(tǒng)，則無(wú)需使用這種二極管,。最大電壓控制在15.6V 的齊納二極管可以獲得較好的結(jié)果,。
2、給器件輸入端添加大容量電容,，以存儲(chǔ)足夠的能源,，用于啟動(dòng)和負(fù)載變化。根據(jù)啟動(dòng)期間負(fù)載的功率需求情況,，可能會(huì)不需要使用這種電容器,。總計(jì)約200 µF 的電容,，便可讓舉例負(fù)載實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng),，其在啟動(dòng)時(shí)需要3.3V、50Ma 的電源持續(xù)供電30ms,，而啟動(dòng)以后則只需要10mA 的電流,。大容量電容還可為可能出現(xiàn)的定期高功率需求提供存儲(chǔ)能源，例如：溫度測(cè)量,、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器讀取操作或者通過(guò)天線發(fā)送數(shù)據(jù),。
3、對(duì)器件的使能閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),，這樣器件便可在其電壓達(dá)到12V 時(shí)開啟,。對(duì)器件編程，讓其在輸入降至4V 時(shí)關(guān)閉,。一旦啟用,，器件便高效地將這種重新得到利用的能源轉(zhuǎn)換為其3.3V 輸出。
例如,，一個(gè)電源解決方案,，我們選擇4V 作為關(guān)閉電壓，目的是提供輸入電壓到輸出電壓的規(guī)定余量,，從而讓器件能夠保持3.3V 穩(wěn)壓輸出,。使用12V 的開啟電壓，用于滿足系統(tǒng)的各種要求,。我們假設(shè),，24V 電源的變化范圍為18V 到30V 之間,，并且電流環(huán)路壓降共計(jì)為6V 最大值，從而讓器件在極端情況時(shí)承受12V 的最小值,。因此,，我們選擇12V 作為啟動(dòng)電源的點(diǎn)，因?yàn)樗瞧骷赡軙?huì)承受的最小電壓,。另外,，12V 最小電壓可以在開啟電壓和關(guān)閉電壓之間實(shí)現(xiàn)充分的間隔，這樣電源便在沒(méi)有啟動(dòng)振蕩的情況下啟動(dòng)進(jìn)入高功率負(fù)載狀態(tài),。
上述電源解決方案通過(guò)TI 的XTR111 啟動(dòng)和關(guān)閉,。XTR111 是一個(gè)4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器，能夠始終提供4Ma 以下的電流,。圖3 顯示了這種解決方案的啟動(dòng)情況,。發(fā)送器啟用以后，它便開始提供電流,，其將輸入電壓升高至電源的12V 開啟點(diǎn),。電源輸出電壓上升進(jìn)入調(diào)節(jié)區(qū)域，然后立即提供50 mA 的負(fù)載啟動(dòng)電流,。這會(huì)稍微降低電源的輸入電壓,，但電源保持對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，原因是其寬電壓范圍和大容量輸入電容器,。負(fù)載啟動(dòng)能耗持續(xù)30ms 以后,，負(fù)載電流減少至穩(wěn)定狀態(tài)，即10mA 電平,。輸入電壓進(jìn)一步上升,，并受齊納二極管控制，保持在15V 電平,。正如我們已經(jīng)注意到的那樣，電流環(huán)路提供的電流始終保持在4mA以下,。
圖3 廢能利用型電源的啟動(dòng)
圖4 顯示了圖3 的放大圖,。電源從大容量電容器吸取存儲(chǔ)的電能，以滿足啟動(dòng)負(fù)載電流需求,，同時(shí)電流環(huán)路始終提供低于4mA 的電流,。這種吸能過(guò)程，會(huì)使輸入電壓降低約2V,，但對(duì)這種電源而言,，這是可以接受的。
圖4 提供負(fù)載啟動(dòng)電流的廢能利用型電源
最后,，廢能利用的電源在大容量電容器中存儲(chǔ)足夠的電能,，然后在一個(gè)足夠?qū)挼妮斎腚妷悍秶ぷ?，以向?fù)載提供持續(xù)的功率脈沖。圖5 所示電源,，每秒為負(fù)載提供持續(xù)時(shí)間100ms 的20mA 電流,，并且保持對(duì)電源輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。
圖5提供負(fù)載電源脈沖的廢能利用型電源
結(jié)論
在4-20mA電流環(huán)路系統(tǒng)中,，我們可以對(duì)那些被浪費(fèi)掉電能加以有效利用,。這種電能可以為控制室需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和微處理器供電，以對(duì)來(lái)自電流環(huán)路的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并且它還可以為低功耗RF發(fā)送器供電,，從而擴(kuò)展了4-20mA電流環(huán)路的應(yīng)用范圍，同時(shí)通過(guò)減少要求的布線數(shù)量,，節(jié)省了此類系統(tǒng)的成本,。擁有寬輸入電壓范圍、可使用極小功率工作且能夠在沒(méi)有振蕩的情況下通過(guò)限流電源啟動(dòng)的電源,，可讓廢能重新得到利用,，并在系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮其作用。