耗电流低于200 μA的低功耗4 mA至20 mA过程控制电流环路解决方案

ADI公司

4 mA至20 mA电流环路广泛用于采用数字或模拟输入输出的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。

电路功能与优势

图1所示电路是一个4 mA至20 mA电流环路发送器，用于过程控制系统与其执行器之间的通信。除具有高性价比外，此电路还是业界功耗最低的解决方案。电流环路接口之所以颇受青睐，是因为它能以高性价比方式进行长距离抗扰数据传输。低功耗双通道运算放大器AD8657 、DACAD5621和基准电压源ADR125的组合，可以为微控制器和数字隔离器等更高功耗器件提供更多功耗预算。此电路输出电流为0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范围一般对应表示DAC或微控制器的输入控制范围，0 mA至4 mA的输出电流范围则常用于诊断故障条件。

图1 PIC32MX795F512方框图

12位、5 V AD5621需要75 μA的电源电流（典型值）。AD8657是一款轨到轨输入/输出双通道运算放大器，而且是目前业界功耗最低的放大器之一（在整个电源电压和输入共模范围内，其耗电流为22 μA），工作电压最高可达18 V。ADR125是精密微功耗5 V带隙基准电压源，仅需要95 μA电源电流。这三个器件总共消耗192 μA的电源电流（典型值）。

电路描述

对于工业和过程控制模块，4 mA至20 mA电流环路发送器用作控制单元与执行器之间的通信手段。12位DAC AD5621位于控制单元，根据输入代码产生0 V至5 V之间的输出电压VDAC。代码通过SPI接口设置，输入代码与输出电压之间的理想关系可用下式表示：



其中：

VREF为ADR125的输出电压和AD5621的电源电压

D是载入AD5621的二进制代码的十进制等效值

DAC输出电压设置流过检测电阻RSENSE的电流



流过RSENSE 的电流作为VDAC 的函数在0 mA至2 mA范围内变化。此电流会在R1两端产生一个电压，并设置AD8657放大器(A2)的同相输入端电压。A2 AD8657使环路闭合，并将反相输入端电压拉至与同相输入端相同的电压。因此，流过R1的电流以10倍的系数镜像到R2，这可以通过公式3表示：



VDAC 的范围为0 V至5 V，因此该电路产生的电流输出范围为0 mA至20 mA。
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