二線制4-20ma電流環(huán)中的多余電能再利用

常州天威自動(dòng)化科技有限公司 薄中亞

4-20ma電流環(huán)是一種模擬信號(hào)的傳送方式，它利用電流進(jìn)行信號(hào)的傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)可以有效的克服長(zhǎng)距離傳輸中環(huán)境的干擾，大大提高電路的傳輸可靠性。電流環(huán)的信號(hào)傳輸方式能耗雖然看起來(lái)已經(jīng)很低但是除去正常的信號(hào)傳輸外仍有不少額外的電能被消耗掉，本文設(shè)計(jì)了一種采用寬輸入電壓范圍的DC-DC電源利用4-20ma電流環(huán)路信號(hào)的多余電能設(shè)計(jì)出一個(gè)額外的3.3V的電源可以在系統(tǒng)中加以利用從而實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)路多余電能的再利用

一、4-20ma電流環(huán)的組成

4-20ma電流環(huán)就是使用4ma表示零信號(hào)，用20ma表示信號(hào)的滿刻度信號(hào)環(huán)路。在結(jié)構(gòu)上有傳感器、發(fā)送器、接收器和電源組成，如圖1所示，傳感器用來(lái)測(cè)量某一物理參數(shù)并提供相應(yīng)的輸出電壓。

電流環(huán)中的發(fā)送器將傳感器的輸出電壓成比例的轉(zhuǎn)換為4-20ma的直流電流，接收器接受電流并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓等待系統(tǒng)做相應(yīng)的判斷，電源則為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。

圖1 電流環(huán)的組成

二、高效DC-DC同步降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

以德州儀器（TI）生產(chǎn)的TPS62177系列高效同步降壓轉(zhuǎn)化器為核心元件設(shè)計(jì)高效DC-DC同步降壓轉(zhuǎn)換器。該器件的寬輸入電壓范圍為4.7V至28V，4-20ma電流環(huán)的供電電壓是24V，由此可知該器件完全適應(yīng)電流環(huán)電壓的范圍，正常的工作，該芯片靜態(tài)損耗電流只有4.8uA，低功耗設(shè)計(jì)使得該芯片可以在對(duì)電流環(huán)最小的干擾的情況下充分利用電流環(huán)中多余的電壓。

按照芯片手冊(cè)的典型電路要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖2的電路，具體元件的參數(shù)如圖1中所示，在系統(tǒng)中降壓轉(zhuǎn)換器利用電流環(huán)中多余的電流和電壓來(lái)為用電終端額外提供一個(gè)電壓為3.3V電流最大可達(dá)500mA的電源。

圖2 高效DC-DC同步降壓轉(zhuǎn)換器

圖3 電流環(huán)高效DC-DC電源模塊的接線

三、基于DC-DC高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的4-20ma多余電能再利用的設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中只需要選擇適當(dāng)?shù)奈恢脤㈦娫创?lián)入電流環(huán)路，降電源的負(fù)極設(shè)為零電位，電源即可正常運(yùn)行，如圖3所示。在4-20ma電流環(huán)正常工作的同時(shí)TPS62177的電源憑借著超寬的工作范圍為發(fā)送器端或者接收器端提供一個(gè)穩(wěn)定的電源，可以用于數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的采集，發(fā)射等等，從而不要單獨(dú)設(shè)置電源和獨(dú)立走線，而且利用的全部都是電流環(huán)路中多余的電能。

四、結(jié)語(yǔ)

本文是基于TPS62177的高效轉(zhuǎn)換器作為核心，來(lái)進(jìn)行4-20ma電流環(huán)多余電能的充分利用，在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中我們已經(jīng)利用這個(gè)方案成功為3.3V的無(wú)線數(shù)傳模塊提供了電源并且發(fā)送了完整的電流環(huán)接收端的數(shù)據(jù)，在不增加系統(tǒng)功耗的前提下簡(jiǎn)化了布線，提升了系統(tǒng)的集成度，降低了使用和維護(hù)成本，擴(kuò)展了4-20ma電流環(huán)路的應(yīng)用范圍。