隔离型环路供电 4-20mA 现场变送器设计
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摘要
本应用手册介绍了用于双线制环路供电 4-20mA 现场变送器或传感器的三种隔离型低功耗电源设计，这些设计均基于初级侧半桥拓扑和次级侧肖特基整流创建。设计 1 使用 50kHz 的开关频率并提供出色的效率，在 TI.com 上作为 TIDA-00349 提供。设计 2 侧重于优化布板空间，工作开关频率为 250kHz，并使用定制的小尺寸变压器。此外，设计 3 使用 MSPM0 生成双通道 PWM（脉宽调制）信号，灵活性在这三个设计中是最大的，开关频率高达 500kHz。本应用手册详细介绍了设计 3。
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FemtoFET™is a TM ofTI corporate name.
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1 引言
1.1 系统说明
在工业自动化和控制领域，双线制环路供电 4-20mA 现场变送器很常见，因为它能准确可靠地远距离传输信号。电流环路能够在数百米甚至数千米范围内保持信号完整性，这在很大程度上归功于电流信号能够稳健处理长线缆上引入的电气噪声。与电压信号不同，基于电流的信号不易受到压降和电磁源干扰的影响，从而确保了传感器和控制系统之间的通信路径稳定可靠。
但本质上，工业现场通常需要热电偶等传感器直接接触接地金属结构，而它们通信的控制系统可以参考不同的地电位。这种电势差会产生接地环路电流，由于所涉及的距离较长，这会导致信号中引入不需要的噪声和潜在偏移，从而显著降低测量精度。为了缓解这些问题，实施电气隔离势在必行。
图 1-1 隔离型双线制环路供电 4-20mA 温度变送器控制系统图 2-11 展示了隔离型双线制环路供电 4-20mA 温度变送器系统的典型方框图，旨在将传感器测量数据转换为 4-20mA 环路电流信号，其中展示了通信总线和系统电源的电流流动情况。在正常运行条件下，变送器发送器的总流耗必须小于实际环路电流。任何独立子电路（包括隔离式直流/直流电路）节省下来的功率均可重新分配到系统的其他电路块。这可以优化其他功能，最终实现更高效的终端产品。由于电源电流预算有限，因此必须采用高效的电源设计。本应用手册将重点介绍图 2-11 红框内的隔离式直流/直流设计，而设计 3 更适用于系统非隔离侧已经有 MCU 的情况，见蓝色框中所示。此外，这些设计具有灵活性，还可针对需要小尺寸、高效功率转换和隔离式数据传输的各种应用进行定制，尤其是当这些应用必须由电流可用性受限的电源供电时。
1.2 设计 1：50kHz 高效率设计
设计 1 的工作温度为 −40°C、+25°C 和 +85°C，接受 3V 至 5.2V 的输入电压，并可提供高达 10mA 的输出电流。它使用低功耗电荷泵以 50kHz 的频率驱动变压器。即使在非常低的输出功率水平（从几十毫瓦到亚毫瓦范围）下，低开关频率也有助于实现独特的高效率。此设计在 5V 输入电压、15mW 至 50mW 输出功率下，能提供 85% 以上的效率；在 3.3V 输入电压、3mW 至 20mW 功率水平下，能提供 80% 以上的效率。
1.3 设计 2：250kHz 空间优化型设计
设计 2 侧重于通过减小变压器尺寸来优化布板空间，表 1-1 从不同特性对两个变压器进行了简单比较。设计 2 和设计 3（具有高开关频率）使用一个尺寸较小的定制变压器 (9.60 x 5.51 x 4.83mm3)。
| 匝数比 (NP:NS) | 磁化电感 Lm (mH) | V-t 积 (V-μs) | 隔离（VAC，1 分钟） | 尺寸 (mm3) | 工作温度范围 (°C) | 制造商 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 设计 1 | 1:1.25 | > 3 | 100 | 1500 | 9.78 × 9.14 × 10.54 | –40 至 100 | WURTH ELEKTRONIK |
| 设计 2、3 | 1:1.5 | >0.6 | 10 | 800 | 9.60 x 5.51 x 4.83 | –40 至 100 | WURTH ELEKTRONIK |
图 2-11 展示了设计 2 的详细原理图，为了使用尺寸更小的变压器，必须增加开关频率。这可以通过使用频率为 250kHz 的 TPS60403 来实现。在此设计中，由于开关频率较高，电荷泵的功耗更高。因此，设计 2 的效率将略低于设计 1。但是，它仍然可以在 3.6V 输入下实现超过 80% 的效率，在 1.8V 输入下实现接近 70% 的效率。
图 1-2 设计 2 原理图1.4 设计 3：具有灵活开关频率的 MCU 驱动型设计
设计 3 可在 1.62V 至 3.6V 的输入电压范围内工作，兼容高达 10mA 的输出电流。在效率方面，设计 3 在输入电压为 3.6V 时最高可达 83%，在输入电压为 1.8V 时最高可达 72%（开关频率均为 50kHz）。当开关频率增加至 250kHz 时，3.6V 输入电压下的效率可达 77%，1.8V 输入电压下的效率可达 62%。
图 1-3 设计 3 方框图图 2-11 展示了 MCU 驱动型设计的方框图，它使用 MSPM0L1306 生成双通道 PMW 信号，控制由 P-MOSFET 和 N-MOSFET 组成的半桥，进而驱动非隔离侧的变压器初级绕组和隔离侧的双电压电路。MSPM0 系列 MCU 的多功能性可准确实现高达 500kHz 的可编程开关频率。
1.4.1 MOSFET 选型
为了确保图 2-11 中的半桥电路在安全范围内运行、保持效率并延长电路的寿命，选择合适的 MOSFET 需要考虑以下因素：
- 电压额定值：MOSFET 的漏源电压额定值 (V_DS) 必须超过电路的最大输入电压 (3.6V)，以便在出现电压尖峰时不会发生击穿。
- R_DS (on) 阻值：为了降低传导损耗，最好选择较低的导通电阻 (R_DS (on))，这样可以提高效率并尽可能减少发热。
- 栅极电荷：较少的栅极电荷 (Qg) 可实现更快的开关速度和更低的开关损耗，这对于高开关频率运行至关重要。
除了上述特性外，还要务必考虑阈值电压 (VGS_th)、开关速度和封装。为了实现更紧凑的设计，这里对具有超小型封装布局的各种 MOSFET 进行了比较，详见表 1-2（针对 N-MOSFET）和表 1-3（针对 P-MOSFET）。
| CSD13380F3 | CSD13383F4 | CSD13385F5 | CSD15380F3 | CSD17381F4 | |
|---|---|---|---|---|---|
| V_DS (V) | 12 | 12 | 12 | 20 | 30 |
|
R_DS (on) (mΩ) (VGS = 2.5V) |
73 | 53 | 18 | 2220 | 110 |
| Qg（典型值）(nC) | 0.91 | 2.0 | 3.9 | 0.216 | 1.04 |
| VGS_th（典型值）(V) | 0.85 | 1.0 | 0.8 | 1.1 | 0.85 |
| CSD23280F3 | CSD23382F4 | CSD23285F5 | CSD25480F3 | CSD25481F4 | |
|---|---|---|---|---|---|
| V_DS (V) | –12 | –12 | –12 | -20 | -20 |
|
R_DS (on) (mΩ) (VGS = -2.5V) |
129 | 90 | 38 | 203 | 145 |
| Qg（典型值）(nC) | 0.95 | 1.04 | 3.2 | 0.7 | 0.913 |
| VGS_th（典型值）(V) | –0.65 | -0.8 | –0.65 | -0.95 | -0.95 |
比较了表中的规格后，N 沟道 MOSFET 选用 CSD13380F3，P 沟道 MOSFET 选用 CSD23382F4。依据是它们具有更低的导通电阻 (R_DS(on))，而且开关所需的电荷 (Qg) 更少，因此功耗更低、开关速度更快。此外，这两款器件的阈值电压 (V_GS(th)) 非常相似，可确保实现平衡的开关，并降低转换期间发生短路的风险，总体而言，能提高电路运行效率。这些特性使其非常合适用于空间受限的高频应用。
1.4.2 效率测试
1.4.2.1 PWM (Ipwm) 电流消耗测试
为了准确地确定 MCU 驱动型设计的效率，必须了解 MSPM0 产生双通道 PWM 信号时的电流消耗。该测试在 MSPM0L1306 评估模块 (EVM) 电路板上执行，测试配置如图 2-11 所示。通过测量 MCU 驱动半桥时（连接绿线）的电流消耗，然后减去 MCU 运行空程序而消耗的电流（断开绿线），可得出用于生成双通道 PWM 信号的特定电流。
图 1-4 MSPM0L1306 EVM 电路板电流消耗测试的设置根据 MSPM0L1306 LaunchPad 开发套件用户指南的第 2.6 节内容，使用外部电源，而不是 PC 的 USB 电源。MSPM0L1306 处于“自由运行”模式，并断开 MSPM0L1306 和电路板调试部分（接头 J101）之间的编程信号。
通过测量分流电阻（位于电源正极端子和 MSPM0L1306 EVM 电路板 3V3 引脚之间）两端的压降，有助于进行电流测量。为了防止 I/O 悬空导致任何额外的电流消耗，将所有未使用的 GPIO 设置为低电平。此外，为了将微控制器与任何寄生负载隔离，应断开所有其他跳线，尤其是连接到指示灯 LED 的跳线。
图 1-5 MSPM0L1306 在不同 PWM 频率下的电流消耗与电源电压图 1-5 展示了在 1.8V 至 3.6V 的不同电源电压和不同频率下，生成 PWM 信号时的电流消耗。红线展示了占空比为 45.3%、开关频率为 250kHz 时的电流消耗，黑线展示了占空比为 49%、开关频率为 50kHz 时的电流消耗。随着电源电压增加，电流消耗也增加。具体而言，在 250kHz 的较高开关频率下，整个电源电压范围内的电流消耗明显比在 50kHz 较低频率下的消耗更大。
1.4.2.3 50kHz 开关频率下的效率测试结果
1.4.2.4 250kHz 开关频率下的效率测试结果
250kHz 开关频率的效率测试采用了与 50kHz 频率测试相同的布置，但包含一个新设计的更小型变压器。实线表示设计 2 的结果，而虚线对应于设计 3。图 1-9 展示了两种设计的效率与输出电流关系曲线，图 1-10 展示了输出电压与输出电流之间的函数关系。
这些测试是在 1.8V、2.4V 和 3.6V 输入电压下执行的。开关频率增至 250kHz 会导致 MSPM0L1306 生成 PWM 信号产生的功耗更高，这一点可通过图 1-5 的数据对比证明。与设计 2 相比，设计 3 的效率有所降低，这是由于功耗增加的原因。尽管如此，在 3.6V 的输入电压下，设计 3 也能实现高达 77% 的效率。
图 1-9 250kHz 开关频率下设计 2 和设计 3 的效率测试结果
图 1-10 250kHz 开关频率下设计 2 和设计 3 中 VOUT 与 IOUT 的关系2 设计文件
2.1 原理图
图 2-1 设计 3 原理图2.2 物料清单
| 项目编号 | 标识符 | 数量 | 器件型号 | 制造商 | 说明 | 封装参考 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | !PCB | 1 | 不限 | 印刷电路板 | ||
| 2 | C1，C2，C3，C6 | 4 | C0603C475K8PACTU | Kemet | 电容，陶瓷，4.7uF，10V，±10%，X5R，0603 | 0603 |
| 3 | C4 | 1 | GRM31CR61A226KE19L | MuRata | 电容，陶瓷，22uF，10V，±10%，X5R，1206 | 1206 |
| 4 | C5、C8 | 2 | CGB3B1X5R1A475K055AC | TDK | 电容，陶瓷，4.7µF，10V，±10%，X5R，0603 | 0603 |
| 5 | C7 | 1 | C1608X5R1E685K080AC | TDK | 电容，陶瓷，6.8µF，25V，±10%，X5R，0603 | 0603 |
| 6 | C9、C10 | 2 | GRM21BR71A106KE51L | MuRata | 电容，陶瓷，10µF，10V，±10%，X7R，0805 | 0805 |
| 7 | D1，D2 | 2 | RB520S30,115 | NXP Semiconductor | 二极管，肖特基，30V，0.2A，SOD-523 | SOD-523 |
| 8 | H1、H2、H3、H4 | 4 | SJ5382 | 3M | Bumpon，半球形，0.25 X 0.075，透明 | 75x250mil |
| 9 | J1 | 1 | 61300411121 | Wurth Elektronik eiSos | 接头，2.54mm，4x1，金，TH | 接头，2.54mm，4x1，TH |
| 10 | J2 | 1 | 61300611121 | Wurth Elektronik eiSos | 接头，2.54mm，6x1，金，TH | 接头，2.54mm，6x1，TH |
| 11 | J6 | 1 | 61300211121 | Wurth Elektronik eiSos | 接头，2.54mm，2x1，金，TH | 接头，2.54mm，2x1，TH |
| 12 | LBL1 | 1 | THT-14-423-10 | Brady | 热转印可打印标签，0.650"（宽）x 0.200"（高）- 10,000/卷 | PCB 标签 0.650"（高）x 0.200"（宽） |
| 13 | Q1 | 1 | CSD23382F4 | 德州仪器 (TI) | MOSFET，P 沟道，-12V，-3.5A，YJC0003A (PICOSTAR-3) | YJC0003A |
| 14 | Q2 | 1 | CSD13380F3 | 德州仪器 (TI) | MOSFET，N 沟道，12V，3.6A，YJM0003A (PICOSTAR-3) | YJM0003A |
| 15 | R1 | 1 | CRCW040210K0FKED | Vishay-Dale | 电阻，10.0k，1%，0.063W，0402 | 0402 |
| 16 | R2 | 1 | CRCW08050000Z0EAHP | Vishay-Dale | 电阻，0，5%，0.333W，0805 | 0805 |
| 17 | R3、R5 | 2 | CRCW0402499KFKED | Vishay-Dale | 电阻，499kΩ，1%，0.063W，0402 | 0402 |
| 18 | SH-J6 | 1 | 969102-0000-DA | 3M | 分流器，100mil，镀金，黑色 | 分流器 |
| 19 | T1 | 1 | 750371685 | Wurth Electronics | 变压器 | SMT4 |
| 20 | U1 | 1 | MSPM0L1306SDYY | 德州仪器 (TI) | 混合信号微控制器 SOT-23-THIN-16 | SOT-23-THIN-6 |
| 21 | FID1、FID2、FID3 | 0 | 不适用 | 不适用 | 基准标记。没有需要购买或安装的元件。 | 基准 |
| 22 | R4 | 0 | CRCW08050000Z0EAHP | Vishay-Dale | 电阻，0，5%，0.333W，0805 | 0805 |
3 总结
本应用手册介绍了有关双线制环路供电 4-20mA 现场变送器系统隔离电源的三种设计。
设计 1 以 50kHz 的固定开关频率运行，在 5V 输入电压下提供最高的效率（达 86%），并能在较低的输入电压下保持较高的效率。但是，它使用的变压器尺寸较大，可能不是尺寸受限型应用的理想之选。
与设计 1 相比，设计 2 具有 250kHz 开关频率，但效率略有降低，在 3.6V 时的最高效率为 80%。它的变压器尺寸更小，有利于实现紧凑设计。
设计 3 的灵活性最高，其可编程频率高达 500kHz，可使用小型变压器，并保持紧凑的外形尺寸。表 3-1 对这三种设计进行了汇总。
| 特性 | 设计 1 (50kHz) | 设计 2 (250kHz) | 设计 3（高达 500kHz） |
|---|---|---|---|
| 开关频率 | 固定 50kHz （- 40%，+40%） |
固定 250kHz （-40%，+20%） |
可编程，高达 500kHz |
| 效率 |
|
|
|
|
变压器尺寸 (mm3) |
大 9.78 x 9.50 x 10.54 |
小 9.60 x 5.51 x 4.83 |
小 9.60 x 5.51 x 4.83 |
总之，应根据具体的应用要求选择合适的设计，同时考虑电路板的整体尺寸和效率等因素。设计 3 特别适用于非隔离侧已存在 MCU 的系统，可提供简化的集成和可编程灵活性。
