4-20mA電流環(huán)路信號常用于工業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)遠距測量數(shù)據(jù)傳輸，例如：加工溫度或者容器壓力等。這種信號傳輸方式之所以成為人們的首選，因為它簡單便捷、抗噪、安全，并且可以在沒有數(shù)據(jù)損壞的情況下實現(xiàn)遠距離傳輸。由于傳輸數(shù)據(jù)的電流相對較低，這些電流環(huán)路還是低功耗系統(tǒng)。以前，沒有獲得利用的功率，或者信號傳輸過程中損失的功率，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，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

圖 1 顯示了一個典型的 4-20mA 電流環(huán)路系統(tǒng)。一個半穩(wěn)壓式 24V DC 電源同時向電流環(huán)路和發(fā)送器組件供電。發(fā)送器對重要信號(例如：溫度、壓力和其他參數(shù))進行測量，然后輸出一個 2-20mA 電流，其與該信號強弱成比例。該電流通過線路，傳輸至某個接收機系統(tǒng)。之后，電流遇到電阻器形成電壓，其通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀出，然后再經(jīng)過進一步處理。通過連線，連接回到為環(huán)路供電的電壓源，這樣構(gòu)成一個完整的環(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：

l 電流環(huán)路是一些簡單電路，僅要求一個簡易電源、一個完成測量然后產(chǎn)生電流的發(fā)送器、一條傳輸線以及一個接收機電路。電源只需提供足以克服各種系統(tǒng)壓降問題的電壓;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。

l 電流環(huán)路僅包含一個電流環(huán)路。因此，根據(jù)基爾霍夫電流定律，通過環(huán)路中所有組件的電流相等。這樣便實現(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。

l 由于信號電平最低達到 4mA，從而實現(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，則接收機無法讀出電流，其表明出現(xiàn)故障，而非最低信號電平。

l 只要電源電壓高到足以克服系統(tǒng)壓降，則代表測得信號的理想電流由發(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，線路允許相對較大的壓降，便可以使用大量的連線。這樣，受測儀器和對測量數(shù)據(jù)進行處理的控制室之間便可實現(xiàn)物理隔離，從而為控制室內(nèi)的人員提供安全保護。

基本系統(tǒng)改進

我們可以利用多余的環(huán)路電壓，用于向接收機電路供電，否則其會在發(fā)送器被降下來。圖 2 顯示了一個在電流環(huán)路中插入的電源。該電源與其供電的接收機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

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由于接收機電阻不再接地參考，因此可能會需要電平移動電路，以連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入。任何高端分流監(jiān)測器(例如：TI INA138等)都可提供這種極為簡單的電路。這些器件對共模電壓的小檢測電阻壓降進行測量，從而降低接收機電阻的必要壓降。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。

這種電源通常會提供經(jīng)過穩(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，來自 TI MSP430TM 平臺的微處理器，其對接收數(shù)據(jù)進行檢查，然后做出決策;來自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其將數(shù)據(jù)無線傳輸至其他地方。如果無需為特別長的電流環(huán)路購買和安接線路，從而實現(xiàn)成本節(jié)省，則無線發(fā)送器特別有用。這些器件的功耗必須非常低，因為榨取自電流環(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寬輸入電壓范圍，并且仍然提供穩(wěn)定的輸出。對這種電源而言，更困難的是通過限流電源來啟動系統(tǒng)。一般而言，啟動期間要求更高的輸出功率，對輸出電容器充電，同時為負載提供啟動電流。它遠高于正常運行時系統(tǒng)消耗的量。如果電源要在啟動期間提供這種高功率，則其輸出功率會超出電流環(huán)路提供的量。如果出現(xiàn)這種情況，進入電源的電壓會在電源關(guān)閉以前不斷下降。這樣，在重新開啟以前，其輸入電壓會再次上升，并不斷重復(fù)該過程。當電源通過這種小輸入功率工作時，啟動振蕩是我們需要克服的一個難題。

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，能夠通過非常小的輸入功率工作，并能在通過限流電源供電時避免出現(xiàn)啟動振蕩。TI 的 TPS62125 便是一個這種電源，因為它通過一個 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)品說明書中建議的電路有三個小改動：

1、給器件輸入添加一個 15V 齊納二極管，以在其承受的多余環(huán)路電壓超出其17V額定值時提供保護。如果使用一個低壓電流環(huán)路系統(tǒng)，則無需使用這種二極管。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，以存儲足夠的能源，用于啟動和負載變化。根據(jù)啟動期間負載的功率需求情況，可能會不需要使用這種電容器。總計約200 µF　的電容，便可讓舉例負載實現(xiàn)平穩(wěn)的啟動，其在啟動時需要 3.3V、50Ma 的電源持續(xù)供電30ms，而啟動以后則只需要 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能源，例如：溫度測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器讀取操作或者通過天線發(fā)送數(shù)據(jù)。

3、對器件的使能閾值電壓進行調(diào)節(jié)，這樣器件便可在其電壓達到 12V 時開啟。對器件編程，讓其在輸入降至 4V 時關(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)路壓降共計為 6V 最大值，從而讓器件在極端情況時承受 12V 的最小值。因此，我們選擇 12V 作為啟動電源的點，因為它是器件可能會承受的最小電壓。另外，12V 最小電壓可以在開啟電壓和關(guān)閉電壓之間實現(xiàn)充分的間隔，這樣電源便在沒有啟動振蕩的情況下啟動進入高功率負載狀態(tài)。

上述電源解決方案通過 TI 的 XTR111 啟動和關(guān)閉。XTR111 是一個 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。電源輸出電壓上升進入調(diào)節(jié)區(qū)域，然后立即提供 50 mA 的負載啟動電流。這會稍微降低電源的輸入電壓，但電源保持對輸出電壓的調(diào)節(jié)，原因是其寬電壓范圍和大容量輸入電容器。負載啟動能耗持續(xù) 30ms 以后，負載電流減少至穩(wěn)定狀態(tài)，即 10mA 電平。輸入電壓進一步上升，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

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圖 4 顯示了圖 3 的放大圖。電源從大容量電容器吸取存儲的電能，以滿足啟動負載電流需求，同時電流環(huán)路始終提供低于 4mA 的電流。這種吸能過程，會使輸入電壓降低約 2V，但對這種電源而言，這是可以接受的。

圖 4 提供負載啟動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足夠的電能，然后在一個足夠?qū)挼妮斎腚妷悍秶ぷ?，以向負載提供持續(xù)的功率脈沖。圖 5 所示電源，每秒為負載提供持續(xù)時間 100ms 的 20mA 電流，并且保持對電源輸出電壓進行穩(wěn)壓。

圖 5提供負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，我們可以對那些被浪費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，以對來自電流環(huán)路的數(shù)據(jù)進行處理，并且它還可以為低功耗RF發(fā)送器供電，從而擴展了4-20mA電流環(huán)路的應(yīng)用范圍，同時通過減少要求的布線數(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有振蕩的情況下通過限流電源啟動的電源，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。