ZHCACH8 march 2023 AFE78101 , AFE781H1 , AFE88101 , AFE881H1 , OPA2391 , OPA391
1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)
2 線 4-20mA 變送器
對(duì)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(dāng)變送器在輸出范圍的低端將電流調(diào)制到 4mA 時(shí)，如果存在高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器 (HART) 信號(hào)，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(chǎng)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(cè)量場(chǎng)變量。結(jié)果必須在環(huán)路電流上以高可靠性、低噪聲和高分辨率進(jìn)行傳輸，并且仍然滿足嚴(yán)格的尺寸要求。
人們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器特性和功能的需求不斷增長(zhǎng)，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(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)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(dāng)變送器電子設(shè)備所需的電流超過 3mA 時(shí)，可使用降壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)用于實(shí)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(zhuǎn)換器或環(huán)路電源穩(wěn)壓器。這可以提高電源設(shè)計(jì)的靈活性，并滿足本質(zhì)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(nèi)工作，在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn) 0.1% 的 TUE。
圖 1 AFE881H1 方框圖該器件集成了經(jīng)認(rèn)證的 HART 調(diào)制解調(diào)器以及具有診斷功能的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)自檢，檢測(cè)器件內(nèi)部電路的錯(cuò)誤，并可選擇進(jìn)入失效防護(hù)狀態(tài)。采用 4mm × 4mm 封裝的集成式低漂移 1.25V 基準(zhǔn)和 1.288MHz 振蕩器可實(shí)現(xiàn)緊湊型變送器電路。
該器件與 AFE88101 非 HART 器件引腳對(duì)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(duì)引腳器件可滿足各種應(yīng)用和成本要求。
變送器設(shè)計(jì)
AFE881H1 用于實(shí)現(xiàn)超低功耗 2 線變送器，如圖 2 所示。D1 是一個(gè) TVS 二極管，用于防止浪涌事件。D2–D5 構(gòu)成了一個(gè)橋式整流器，用于實(shí)現(xiàn)反極性運(yùn)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(cè)電阻 (R2) 可檢測(cè)流經(jīng)環(huán)路的電流，電流調(diào)制電路 (U2 + Q2 + Q1) 可將該電流保持在由 U1 DAC (AFE881H1) 驅(qū)動(dòng)的特定電平。通過修改 Q1 的有效阻抗來調(diào)制電流，并通過 D6 傳遞所需的剩余電流以達(dá)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(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍，同時(shí)保持 1.8V 的低電壓運(yùn)行。通過降低同一電流的總體功耗、降低運(yùn)行所需的最小環(huán)路電壓并提高 EMC 發(fā)射性能，低電壓運(yùn)行提供了許多優(yōu)勢(shì)。
在 20mA 的較高環(huán)路電流下，Q1 的基極電流（假設(shè)增益為 100）接近 0.2mA 且 VBE(Q2) < 0.7V，再加上 R4 上的壓降，運(yùn)算放大器 U2 輸出需要達(dá)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(qū)動(dòng)高達(dá)幾 mV 的電壓。
該電路經(jīng)過設(shè)計(jì)，當(dāng)傳感器和處理端所需的電流高于 3mA 時(shí)[6], [7]，可與直流/直流轉(zhuǎn)換器（而非 LDO）一起工作。與內(nèi)部基準(zhǔn)相比，使用外部基準(zhǔn) REF35125 可降低電流消耗，但是，如果需要絕對(duì)最小面積，仍可使用內(nèi)部基準(zhǔn)。
功率測(cè)量
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能，測(cè)試了原型板，主要側(cè)重于功耗和噪聲性能。
每個(gè)器件的靜態(tài)電流在 1.8V 電源電壓和室溫下單獨(dú)測(cè)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(gè)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(shí)的值 | |
|---|---|---|
| 1 | HV LDO 靜態(tài)電流 | 5μA |
| 2 | 電壓基準(zhǔn) | 3μA |
| 3 | AFE881H1（外部 REF，無 HART，無 ADC） | 133μA |
| 4 | 運(yùn)算放大器 | 24μA |
| 5 | I(Q2) | 15μA |
| 總和 | 180 | |
| 6 | MCU | 43μA |
| 總計(jì) | 223μA |
兩個(gè)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(shí)的總電流變化。
MSPM0 MCU 用作 SPI 主機(jī)，驅(qū)動(dòng) SPI 命令以每 100ms 設(shè)置一次 AFE881H1 數(shù)據(jù)輸出寄存器。測(cè)得與 SPI 通信相關(guān)的 MCU 電流消耗測(cè)量值為 43μA。
D6 中的電流是用于調(diào)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?huì)將其視為功耗。確保 D6 的功率等級(jí)遠(yuǎn)高于在最大電流水平下產(chǎn)生的功率。假設(shè)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(shí)，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(shí)相當(dāng)于 0.4mW。
圖 4 總電流消耗與環(huán)路電流間的關(guān)系噪聲性能
如前所述，MCU 每 100ms 通過 SPI 與 AFE881H1 進(jìn)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(gè) 1.8V 電源，并且 MCU 功率模式的變化會(huì)影響變送器的噪聲性能。為了驗(yàn)證電路噪聲性能，使用 24 位 31kSPS ADC 測(cè)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(shè)置下的環(huán)路輸出電流直方圖
圖 6 靜態(tài) 3mA 設(shè)置下的環(huán)路電流頻譜表 2 總結(jié)了變送器在 3mA 時(shí)的噪聲性能，AFE881H1 輸出對(duì) SNR 影響最大時(shí)的最小電流。RMS 噪聲小于 0.8μA，相當(dāng)于 17 位性能，這表明了該設(shè)計(jì)的低噪聲特性。環(huán)路電流頻譜表明，MCU 開關(guān)模式不會(huì)影響輸出信號(hào)的頻譜內(nèi)容。
| 參數(shù) | 3mA 時(shí)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(jié)論
AFE881x1 產(chǎn)品系列是構(gòu)建超低功耗 (0.4mW)、低電壓 (1.8V)、高精度（在溫度范圍內(nèi)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(diào)制解調(diào)器，所有器件均采用引腳對(duì)引腳兼容的 4mm × 4mm 封裝，因此可構(gòu)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(gè)器件的電流消耗和總體噪聲性能進(jìn)行了驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
- TIDA-00648：4-20mA 電流環(huán)路變送器參考設(shè)計(jì)
- TIDA-01504：采用 HART? 調(diào)制解調(diào)器的高精度環(huán)路供電式 4-20mA 現(xiàn)場(chǎng)變送器參考設(shè)計(jì)
- 設(shè)計(jì)適用于現(xiàn)場(chǎng)變送器的高性能 PWM DAC
- 適用于現(xiàn)場(chǎng)變送器的高性能 16 位 PWM 轉(zhuǎn) 4-20mA DAC
- TIDA-00247：?jiǎn)涡酒?2 線環(huán)路供電式 4-20mA 電流環(huán)路 RTD 溫度變送器參考設(shè)計(jì)
- 低 IQ 同步降壓轉(zhuǎn)換器支持智能現(xiàn)場(chǎng)傳感器應(yīng)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(shè)計(jì)