4-20mA電流環路信號常用于工業環境，實現遠距測量數據傳輸，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，并且可以在沒有數據損壞的情況下實現遠距離傳輸。由于傳輸數據的電流相對較低，這些電流環路還是低功耗系統。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，都在發送器內耗散掉；但現在，利用現代集成電路以后，即使這一小部分功率也被節省下來，以支持系統中必需功能的正常工作。

4-20mA 電流環路系統基礎知識

圖 1 顯示了一個典型的 4-20mA 電流環路系統。一個半穩壓式 24V DC 電源同時向電流環路和發送器組件供電。發送器對重要信號（例如：溫度、壓力和其他參數）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。之后，電流遇到電阻器形成電壓，其通過一個模數轉換器 （ADC） 讀出，然后再經過進一步處理。通過連線，連接回到為環路供電的電壓源，這樣構成一個完整的環路。

圖 1 基本的 4-20mA 電流環路系統

工業應用中使用這些電流環路具有諸多好處：

電流環路是一些簡單電路，僅要求一個簡易電源、一個完成測量然后產生電流的發送器、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壓降問題的電壓；多余的環路電壓剛好在發送器處得到降低。由于電流較低，僅有少量功耗，因此發熱較少。

電流環路僅包含一個電流環路。因此，根據基爾霍夫電流定律，通過環路中所有組件的電流相等。這樣便實現了較高的抗噪性，而抗噪性又是工業環境應用的關鍵。

由于信號電平最低達到 4mA，從而實現了安全性。如果環路內部出現損壞，或者環路連接斷開，則接收機無法讀出電流，其表明出現故障，而非最低信號電平。

只要電源電壓高到足以克服系統壓降，則代表測得信號的理想電流由發送器維持。因此，高壓降和低成本的小規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據進行處理的控制室之間便可實現物理隔離，從而為控制室內的人員提供安全保護。

基本系統改進

我們可以利用多余的環路電壓，用于向接收機電路供電，否則其會在發送器被降下來。圖 2 顯示了一個在電流環路中插入的電源。該電源與其供電的接收機電路一起放置于控制室中——有效地將多余環路電壓轉換為有用輸出功率。

圖 2 4-20mA電流環路中多余環路電壓的利用

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，以連接數據轉換器輸入。任何高端分流監測器（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過穩壓的 3.3V 輸出，以為電平位移器、數據轉換器以及控制室內的所有其他低功耗設備供電。例如，來自 TI MSP430TM 平臺的微處理器，其對接收數據進行檢查，然后做出決策；來自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其將數據無線傳輸至其他地方。如果無需為特別長的電流環路購買和安接線路，從而實現成本節省，則無線發送器特別有用。這些器件的功耗必須非常低，因為榨取自電流環路的多余能源數量有限。

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。由于這種電流所產生的電壓為環路的多余電壓，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。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路提供的量。如果出現這種情況，進入電源的電壓會在電源關閉以前不斷下降。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，并且擁有帶可調磁滯的可編程使能閾值電壓。TPS62125 產品說明書中建議的電路有三個小改動：

給器件輸入添加一個 15V 齊納二極管，以在其承受的多余環路電壓超出其17V額定值時提供保護。如果使用一個低壓電流環路系統，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果。

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平穩的啟動，其在啟動時需要 3.3V、50Ma 的電源持續供電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的定期高功率需求提供存儲能源，例如：溫度測量、數據轉換器讀取操作或者通過天線發送數據。

對器件的使能閾值電壓進行調節，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 時關閉。一旦啟用，器件便高效地將這種重新得到利用的能源轉換為其 3.3V 輸出。

例如，一個電源解決方案，我們選擇 4V 作為關閉電壓，目的是提供輸入電壓到輸出電壓的規定余量，從而讓器件能夠保持 3.3V 穩壓輸出。使用 12V 的開啟電壓，用于滿足系統的各種要求。我們假設，24V 電源的變化范圍為 18V 到 30V 之間，并且電流環路壓降共計為 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閉電壓之間實現充分的間隔，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。

上述電源解決方案通過 TI 的 XTR111 啟動和關閉。XTR111 是一個 4-20mA電流環路發送器，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節區域，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節，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 30ms 以后，負載電流減少至穩定狀態，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。正如我們已經注意到的那樣，電流環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

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，然后在一個足夠寬的輸入電壓范圍工作，以向負載提供持續的功率脈沖。圖 5 所示電源，每秒為負載提供持續時間 100ms 的 20mA 電流，并且保持對電源輸出電壓進行穩壓。

圖 5提供負載電源脈沖的廢能利用型電源

結論

在4-20mA電流環路系統中，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據轉換器和微處理器供電，以對來自電流環路的數據進行處理，并且它還可以為低功耗RF發送器供電，從而擴展了4-20mA電流環路的應用范圍，同時通過減少要求的布線數量，節省了此類系統的成本。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，并在系統中繼續發揮其作用。

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