ZHCACH8 march 2023 AFE78101 , AFE781H1 , AFE88101 , AFE881H1 , OPA2391 , OPA391
1 應用簡報
2 線 4-20mA 變送器
對于環(huán)路供電的雙線制 4-20mA 傳感器變送器而言，滿足功率和電流限制特別具有挑戰(zhàn)性。當變送器在輸出范圍的低端將電流調制到 4mA 時，如果存在高速可尋址遠程傳感器 (HART) 信號，環(huán)路電流甚至可以降至 3.5mA。由于這種較低的電流輸出，現(xiàn)場變送器的流耗限制為 3mA。變送器可以執(zhí)行所有傳感功能，并精確測量場變量。結果必須在環(huán)路電流上以高可靠性、低噪聲和高分辨率進行傳輸，并且仍然滿足嚴格的尺寸要求。
人們對現(xiàn)場變送器特性和功能的需求不斷增長，這在電流有限的條件下帶來了特殊的挑戰(zhàn)：需要更高效的低功耗電路和器件。如果 DAC161S997 和 DAC8831[1], [2] 設計等標準架構無法滿足電源需求，基于 PWM 的 DAC 也可用于大幅降低功耗[3], [4]。具有集成模擬資源的微控制器 (MCU) 也可用于降低功耗和面積[5]。當變送器電子設備所需的電流超過 3mA 時，可使用降壓轉換器代替典型穩(wěn)壓器，以低于環(huán)路電壓的電壓提供所需的電流。[6], [7]
AFE881H1 環(huán)路變送器前端
AFE881H1 設計用于實現(xiàn)出色集成、超低功耗、2 線（環(huán)路供電）4-20mA 變送器。該器件不集成電壓至電流轉換器或環(huán)路電源穩(wěn)壓器。這可以提高電源設計的靈活性，并滿足本質安全和功能安全需求。
該器件在 1.8V 和 2.7V 至 5V 的寬電源電壓范圍內工作，在整個工業(yè)溫度范圍內可實現(xiàn) 0.1% 的 TUE。
圖 1 AFE881H1 方框圖該器件集成了經(jīng)認證的 HART 調制解調器以及具有診斷功能的 12 位模數(shù)轉換器 (ADC)，可實現(xiàn)自動自檢，檢測器件內部電路的錯誤，并可選擇進入失效防護狀態(tài)。采用 4mm × 4mm 封裝的集成式低漂移 1.25V 基準和 1.288MHz 振蕩器可實現(xiàn)緊湊型變送器電路。
該器件與 AFE88101 非 HART 器件引腳對引腳兼容。這兩款器件還提供 14 位分辨率（AFE781H1 和 AFE78101）。此系列的引腳對引腳器件可滿足各種應用和成本要求。
變送器設計
AFE881H1 用于實現(xiàn)超低功耗 2 線變送器，如圖 2 所示。D1 是一個 TVS 二極管，用于防止浪涌事件。D2–D5 構成了一個橋式整流器，用于實現(xiàn)反極性運行。齊納二極管 D6 將輸入電壓限制為 5.1V，U3 LDO (TPS7A1601) 為變送器生成主電源 (1.8V)。檢測電阻 (R2) 可檢測流經(jīng)環(huán)路的電流，電流調制電路 (U2 + Q2 + Q1) 可將該電流保持在由 U1 DAC (AFE881H1) 驅動的特定電平。通過修改 Q1 的有效阻抗來調制電流，并通過 D6 傳遞所需的剩余電流以達到所需的環(huán)路電流。
圖 2 超低功耗、低壓、2 線 4-20mA 變送器此設計可實現(xiàn)寬輸入電壓范圍，同時保持 1.8V 的低電壓運行。通過降低同一電流的總體功耗、降低運行所需的最小環(huán)路電壓并提高 EMC 發(fā)射性能，低電壓運行提供了許多優(yōu)勢。
在 20mA 的較高環(huán)路電流下，Q1 的基極電流（假設增益為 100）接近 0.2mA 且 VBE(Q2) < 0.7V，再加上 R4 上的壓降，運算放大器 U2 輸出需要達到 Vbe(Q2) + (R4 × 0.2m)。通過正確選擇 R4 值，U2 的最大輸出電壓小于 1.7V。OPA391 的共模范圍為 0.1V 至 1.7V，電源電壓為 1.8V。該器件還能夠從電源軌驅動高達幾 mV 的電壓。
該電路經(jīng)過設計，當傳感器和處理端所需的電流高于 3mA 時[6], [7]，可與直流/直流轉換器（而非 LDO）一起工作。與內部基準相比，使用外部基準 REF35125 可降低電流消耗，但是，如果需要絕對最小面積，仍可使用內部基準。
功率測量
為了驗證設計性能，測試了原型板，主要側重于功耗和噪聲性能。
每個器件的靜態(tài)電流在 1.8V 電源電壓和室溫下單獨測量，如圖 3 所示。
圖 3 變送器電路的不同電流分量表 1 列出了每個電流并突出顯示了不同元件的超低功耗特性。
| 電流分量 | 4mA 時的值 | |
|---|---|---|
| 1 | HV LDO 靜態(tài)電流 | 5μA |
| 2 | 電壓基準 | 3μA |
| 3 | AFE881H1（外部 REF，無 HART，無 ADC） | 133μA |
| 4 | 運算放大器 | 24μA |
| 5 | I(Q2) | 15μA |
| 總和 | 180 | |
| 6 | MCU | 43μA |
| 總計 | 223μA |
兩個電流隨輸出電流線性變化，AFE881H1 電流隨著產(chǎn)生的電壓升高而變化，因此流經(jīng) R1 的電流和流經(jīng) Q2 的電流增大。圖 4 中顯示了輸出電流從 3mA 變?yōu)?25mA 時的總電流變化。
MSPM0 MCU 用作 SPI 主機，驅動 SPI 命令以每 100ms 設置一次 AFE881H1 數(shù)據(jù)輸出寄存器。測得與 SPI 通信相關的 MCU 電流消耗測量值為 43μA。
D6 中的電流是用于調節(jié)環(huán)路中的電流的剩余電流，如果電路需要更多電流才能工作，則可以將其變?yōu)榱?，因此變送器電路不會將其視為功耗。確保 D6 的功率等級遠高于在最大電流水平下產(chǎn)生的功率。假設通過 D6 的最大電流為 25mA，D6 將消耗 130mW 的功率。
輸出電流為 4mA 時，變送器電路僅消耗 180μA 電流，1.8V 電源電壓下的功耗為 0.33mW。加上 MCU 電流，電路的總電流為 223 μA，在由 1.8V 電源供電時相當于 0.4mW。
圖 4 總電流消耗與環(huán)路電流間的關系噪聲性能
如前所述，MCU 每 100ms 通過 SPI 與 AFE881H1 進行一次通信，在睡眠和工作模式之間切換。MCU 與 AFE881H1 共用同一個 1.8V 電源，并且 MCU 功率模式的變化會影響變送器的噪聲性能。為了驗證電路噪聲性能，使用 24 位 31kSPS ADC 測量環(huán)路電流噪聲。繪制了圖 5 中的輸出直方圖和圖 6 中的輸出頻譜，以檢查精度和頻譜噪聲。
圖 5 3mA 設置下的環(huán)路輸出電流直方圖
圖 6 靜態(tài) 3mA 設置下的環(huán)路電流頻譜表 2 總結了變送器在 3mA 時的噪聲性能，AFE881H1 輸出對 SNR 影響最大時的最小電流。RMS 噪聲小于 0.8μA，相當于 17 位性能，這表明了該設計的低噪聲特性。環(huán)路電流頻譜表明，MCU 開關模式不會影響輸出信號的頻譜內容。
| 參數(shù) | 3mA 時的變送器 |
|---|---|
| 樣本數(shù) | 16383 |
| 平均值 | 3.00425 mA |
| 最小值 | 3.00152 mA |
| 最大 | 3.00698 mA |
| P-P 噪聲 | 5.45382μA |
| RMS 噪聲 | 782nA |
| 無噪聲位 | 14.2 位 |
| RMS 分辨率 | 17 位 |
結論
AFE881x1 產(chǎn)品系列是構建超低功耗 (0.4mW)、低電壓 (1.8V)、高精度（在溫度范圍內為 0.1% FS TUE）2 線變送器的理想選擇。借助 14 位和 16 位器件，無論是否使用 HART 調制解調器，所有器件均采用引腳對引腳兼容的 4mm × 4mm 封裝，因此可構建各種高性能且具有成本效益的傳感器變送器環(huán)路接口。本文演示了超低功耗變送器，并通過單個器件的電流消耗和總體噪聲性能進行了驗證。
參考文獻
- TIDA-00648：4-20mA 電流環(huán)路變送器參考設計
- TIDA-01504：采用 HART? 調制解調器的高精度環(huán)路供電式 4-20mA 現(xiàn)場變送器參考設計
- 設計適用于現(xiàn)場變送器的高性能 PWM DAC
- 適用于現(xiàn)場變送器的高性能 16 位 PWM 轉 4-20mA DAC
- TIDA-00247：單芯片 2 線環(huán)路供電式 4-20mA 電流環(huán)路 RTD 溫度變送器參考設計
- 低 IQ 同步降壓轉換器支持智能現(xiàn)場傳感器應用
- TIDA-00167：適用于 4-20mA 環(huán)路供電變送器的隔離式超低功耗設計