ZHCACH8 march 2023 AFE78101 , AFE781H1 , AFE88101 , AFE881H1 , OPA2391 , OPA391
1 应用简报
2 线 4-20mA 变送器
对于环路供电的双线制 4-20mA 传感器变送器而言，满足功率和电流限制特别具有挑战性。当变送器在输出范围的低端将电流调制到 4mA 时，如果存在高速可寻址远程传感器 (HART) 信号，环路电流甚至可以降至 3.5mA。由于这种较低的电流输出，现场变送器的流耗限制为 3mA。变送器可以执行所有传感功能，并精确测量场变量。结果必须在环路电流上以高可靠性、低噪声和高分辨率进行传输，并且仍然满足严格的尺寸要求。
人们对现场变送器特性和功能的需求不断增长，这在电流有限的条件下带来了特殊的挑战：需要更高效的低功耗电路和器件。如果 DAC161S997 和 DAC8831[1], [2] 设计等标准架构无法满足电源需求，基于 PWM 的 DAC 也可用于大幅降低功耗[3], [4]。具有集成模拟资源的微控制器 (MCU) 也可用于降低功耗和面积[5]。当变送器电子设备所需的电流超过 3mA 时，可使用降压转换器代替典型稳压器，以低于环路电压的电压提供所需的电流。[6], [7]
AFE881H1 环路变送器前端
AFE881H1 设计用于实现出色集成、超低功耗、2 线（环路供电）4-20mA 变送器。该器件不集成电压至电流转换器或环路电源稳压器。这可以提高电源设计的灵活性，并满足本质安全和功能安全需求。
该器件在 1.8V 和 2.7V 至 5V 的宽电源电压范围内工作，在整个工业温度范围内可实现 0.1% 的 TUE。
图 1 AFE881H1 方框图该器件集成了经认证的 HART 调制解调器以及具有诊断功能的 12 位模数转换器 (ADC)，可实现自动自检，检测器件内部电路的错误，并可选择进入失效防护状态。采用 4mm × 4mm 封装的集成式低漂移 1.25V 基准和 1.288MHz 振荡器可实现紧凑型变送器电路。
该器件与 AFE88101 非 HART 器件引脚对引脚兼容。这两款器件还提供 14 位分辨率（AFE781H1 和 AFE78101）。此系列的引脚对引脚器件可满足各种应用和成本要求。
变送器设计
AFE881H1 用于实现超低功耗 2 线变送器，如图 2 所示。D1 是一个 TVS 二极管，用于防止浪涌事件。D2–D5 构成了一个桥式整流器，用于实现反极性运行。齐纳二极管 D6 将输入电压限制为 5.1V，U3 LDO (TPS7A1601) 为变送器生成主电源 (1.8V)。检测电阻 (R2) 可检测流经环路的电流，电流调制电路 (U2 + Q2 + Q1) 可将该电流保持在由 U1 DAC (AFE881H1) 驱动的特定电平。通过修改 Q1 的有效阻抗来调制电流，并通过 D6 传递所需的剩余电流以达到所需的环路电流。
图 2 超低功耗、低压、2 线 4-20mA 变送器此设计可实现宽输入电压范围，同时保持 1.8V 的低电压运行。通过降低同一电流的总体功耗、降低运行所需的最小环路电压并提高 EMC 发射性能，低电压运行提供了许多优势。
在 20mA 的较高环路电流下，Q1 的基极电流（假设增益为 100）接近 0.2mA 且 VBE(Q2) < 0.7V，再加上 R4 上的压降，运算放大器 U2 输出需要达到 Vbe(Q2) + (R4 × 0.2m)。通过正确选择 R4 值，U2 的最大输出电压小于 1.7V。OPA391 的共模范围为 0.1V 至 1.7V，电源电压为 1.8V。该器件还能够从电源轨驱动高达几 mV 的电压。
该电路经过设计，当传感器和处理端所需的电流高于 3mA 时[6], [7]，可与直流/直流转换器（而非 LDO）一起工作。与内部基准相比，使用外部基准 REF35125 可降低电流消耗，但是，如果需要绝对最小面积，仍可使用内部基准。
功率测量
为了验证设计性能，测试了原型板，主要侧重于功耗和噪声性能。
每个器件的静态电流在 1.8V 电源电压和室温下单独测量，如图 3 所示。
图 3 变送器电路的不同电流分量表 1 列出了每个电流并突出显示了不同元件的超低功耗特性。
| 电流分量 | 4mA 时的值 | |
|---|---|---|
| 1 | HV LDO 静态电流 | 5μA |
| 2 | 电压基准 | 3μA |
| 3 | AFE881H1（外部 REF，无 HART，无 ADC） | 133μA |
| 4 | 运算放大器 | 24μA |
| 5 | I(Q2) | 15μA |
| 总和 | 180 | |
| 6 | MCU | 43μA |
| 总计 | 223μA |
两个电流随输出电流线性变化，AFE881H1 电流随着产生的电压升高而变化，因此流经 R1 的电流和流经 Q2 的电流增大。图 4 中显示了输出电流从 3mA 变为 25mA 时的总电流变化。
MSPM0 MCU 用作 SPI 主机，驱动 SPI 命令以每 100ms 设置一次 AFE881H1 数据输出寄存器。测得与 SPI 通信相关的 MCU 电流消耗测量值为 43μA。
D6 中的电流是用于调节环路中的电流的剩余电流，如果电路需要更多电流才能工作，则可以将其变为零，因此变送器电路不会将其视为功耗。确保 D6 的功率等级远高于在最大电流水平下产生的功率。假设通过 D6 的最大电流为 25mA，D6 将消耗 130mW 的功率。
输出电流为 4mA 时，变送器电路仅消耗 180μA 电流，1.8V 电源电压下的功耗为 0.33mW。加上 MCU 电流，电路的总电流为 223 μA，在由 1.8V 电源供电时相当于 0.4mW。
图 4 总电流消耗与环路电流间的关系噪声性能
如前所述，MCU 每 100ms 通过 SPI 与 AFE881H1 进行一次通信，在睡眠和工作模式之间切换。MCU 与 AFE881H1 共用同一个 1.8V 电源，并且 MCU 功率模式的变化会影响变送器的噪声性能。为了验证电路噪声性能，使用 24 位 31kSPS ADC 测量环路电流噪声。绘制了图 5 中的输出直方图和图 6 中的输出频谱，以检查精度和频谱噪声。
图 5 3mA 设置下的环路输出电流直方图
图 6 静态 3mA 设置下的环路电流频谱表 2 总结了变送器在 3mA 时的噪声性能，AFE881H1 输出对 SNR 影响最大时的最小电流。RMS 噪声小于 0.8μA，相当于 17 位性能，这表明了该设计的低噪声特性。环路电流频谱表明，MCU 开关模式不会影响输出信号的频谱内容。
| 参数 | 3mA 时的变送器 |
|---|---|
| 样本数 | 16383 |
| 平均值 | 3.00425 mA |
| 最小值 | 3.00152 mA |
| 最大 | 3.00698 mA |
| P-P 噪声 | 5.45382μA |
| RMS 噪声 | 782nA |
| 无噪声位 | 14.2 位 |
| RMS 分辨率 | 17 位 |
结论
AFE881x1 产品系列是构建超低功耗 (0.4mW)、低电压 (1.8V)、高精度（在温度范围内为 0.1% FS TUE）2 线变送器的理想选择。借助 14 位和 16 位器件，无论是否使用 HART 调制解调器，所有器件均采用引脚对引脚兼容的 4mm × 4mm 封装，因此可构建各种高性能且具有成本效益的传感器变送器环路接口。本文演示了超低功耗变送器，并通过单个器件的电流消耗和总体噪声性能进行了验证。