二线制4_20mA仪表的电源设计

第26卷第5期

2010年5月

电力科学与工程Vol126,No15May,2010

ElectricPowerScienceandEngineering

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二线制4~20mA仪表的电源设计

王利军,田 亮,邓拓宇

(华北电力大学 控制与计算机工程学院,河北保定071003)

摘要:针对当今以微控制器为核心的智能型二线制仪表高功耗的特点,以简单高效为理念设计了该4~20mA二线制仪表的电源部分。并给出了整体的设计方案,详细分析了硬件电路各功能模块和设计思想。其设计具有良好的工程应用参考价值。关键词:二线制;

4~20mA;高效;电源

中图分类号:TM722;TH703 文献标识码:A

0 引 言

在计算机自动测控系统的设计中,为使系统的各部分信号标准化,经常把温度、压力、流量

度等各种物理量变化变成符合工业标准4~20mA电流信号

[1]

。

图1 4~20mA电流信号传输原理图

Fig11 Schematicof4~20mAcurrentsignaltransmission

随着微控制器技术的发展,出现了符合这一工业标准不使用额外电源供电的智能型设备,被称作智能型二线制设备。由于该类设备大多加入了微处理器、液晶显示、运放或者A/D、D/A等元件,因此设备功耗相对较高,要保证此类设备能在低于4mA的电流下正常可靠地工作,需要对系统的低功耗设计和电源的高效设计提出严格要求,给系统设计增加了一定难度。

设计中尽量低的功耗是系统设计追求的目标,也是设计的主要任务之一,而设计一个供电效率高且稳定性好的供电方案,是保证仪表低功耗设计的前提和重要保证。由于以前针对非智能型设备供电部分的电路设计已经满足不了智能设备功耗的要求,鉴于此,设计了一种满足4~20mA二线制智能仪表功耗要求的简单、高效的供电电路。

[2]

Va=Us-Iload@Rload

P=VaIload=UsIload-Iload@Rload

2

(1)(2)

式中:Va表示设备输入电压;Us表示供电电源电压;Iload表示信号线电流;Rload表示等效负载电阻。

系统所允许的最大功耗可以这样估算:根据二线制工业标准要求,其电流源(发送端)至少有R=2508的负载驱动能力(即图1中Rs的电阻在2508以上),考虑信号线在信号传输过程中也存在一定的阻抗Rload=Rs+Rl=3008。

由公式(1)得,当输入电流在4~20mA波动时候,设备输入电压Va波动范围为18~2318V。由公式(2)绘得信号线上获取的功率和负载电流、负载电阻的关系曲线,如图2所示。由图知,负载电流在4~20mA的波动范围内,系统可以获得的功率随着负载电流的增加也在增加。如果设计中采用负载电流20mA时的功率来设计,

[3]

,设计中规定线

路阻抗为Rl=508,其系统负载电阻等效为

1 功耗计算

图1为4~20mA电流信号传输原理图。图中Rs为采样负载电阻,Rl为信号传输等效阻抗。设备输入端电压Va和系统可以从信号线上取得的功率P,计算公式如下:

收稿日期:

2009-12-21。

(,,E-mai:lf@1com

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为了保证电源部分在负载电流为4mA时能为系统提供足够的功率,电源设计部分要求有备用储能元件或其他方案,从而使系统能获得正常工作所需的足够功率。为了简化设计,设计中以系统负载电流最小时所能获取的功率为设计条件(即负载电流为4mA),此时系统能获得的功率Wmin=4mA@Va=72mW

。

图4 电源管理模块电路图

Fig14 Schematicofpowermanagementmodule

211 由Lm317构成的4mA恒流源

设计中采用4mA的信号电流作为系统供电电源设计,同时为保证系统静态功耗为4mA,设计中利用LM317构成4mA的恒流源,其电路原理图如图4。

反馈电阻Rc计算公式如下:

Rc=Vref/(IS-Iadj)

图2 功率和负载电流、负载电阻的关系曲线Fig12 Relationcurveofpowerandloadcurrent.

andloadresistance

(3)

式中:Vref是基准电压,典型电压为1125V;IS为恒流源的输出电流;Iadj是从调整端Aadj流出的电流,通常Iadj[50LA。

由公式(3)知,LM317设计成4mA恒流源,其反馈电阻Rc的取值为3168,实物中,利用阻值为1M8和3168的电阻R1和R2并联。212 由MAX1836构成的DC/DC变换

为了使DC-DC变换部分满足在轻载和重载情况下都有较高效率的要求,本设计的DC/DC变换电路采用美国MAX公司的新型降压型DC/DC转换器MAX1836,如图4所示,其具有高效率、低静态电流、噪声低等优点。可以在高达24V的输入电压下输出313V和5V固定电压或1125V至VIN可调电压。

其反馈端反馈电阻R6,R7计算公式如下:(4)R6=R7[(VOUT/VFB)-1]

式中:VOUT为输出电压;VFB取1125V;R7取10~100k8。

MAX1836对应的不同输入电压下的输入电流计算公式如下:

IIN=PMAX(G@VIN)

式中:

图3 电源功能模示意图

Fig13 Schematicdiagramofpower

modules

2 电路设计

本文设计的电源模块结构由恒流源、并联稳压电路、DC-DC变换、串联稳压电路4部分构成,其电路结构如图3。

设计流程为:首先,设备信号端输入电压经过恒流源电路形成4mA恒流源,然后恒流源电流经过并联稳压电路形成14V恒定电压,再通过DC-DC变换降压到313V,最后经过串联稳压电路再次降压和滤波,输出满足系统需求的纯净的3V电压。其整体电路图如图4所示。下面就各

部分设计原理做以下介绍。

(5)PMAX为VIN为

IIN为MAX1836输入电流;

MAX1836输出提供的功率;G为对应输入输出电压和负载电流下的MAX1836的效率;MAX1836的输入电压。

31V,R7

第5期王利军,等二线制4-20mA仪表的电源设计 49

为36k8,由公式(4)知R6的阻值为62k8。MAX1836在313V固定输出下负载电流和输入对应的效率如表1。

表1 MAX1836在5V固定输出下负载电流和

输入电压对应的效率

Tab11 EfficiencyvsloadcurrentofMAX1836in

the5Vfixedoutputvoltage

IIN/V591218

IL/mA

18886837815

590878582

10901587158582

20901587158582

30901587158582

由图4知,LM4014提供给负载的电流为IL

其计算公式如下:

IL=IS-IQ-IR

(9)

式中:IR为流过反馈电阻的电流,IR=VREF/R3;

IS为恒流源提供电流。

LM4014的最小工作电流为60LA,最大工作电流为12mA(LM4041-112型),即LM4041的工作电流范围为60LA[Iq[12mA。可调型LM4041的输出电压范围在1124~15V之间。

由公式(9)知IL<Is<4mA,由表2知在满足MAX1836设计的输出功率和输入电流的同时,可确定MAX1836输入电压选择范围为12~18V,由于LM4041的最大可调输出电压VOMAX=15V,为了提高系统可靠性,设计中留有1V余量,在维持LM4014最小工作电流60LA的情况下,为了获取最大功率,LM4014输出电压VO设计为14V。

由公式(8)知,R4/R3=111588,取R3=20k8,得R4=231k8,实际电路中R4由两个470k8电阻并联代替。

由公式(8)、(9)知LM4041可以提供的最大功率为P=55mW。由表1知,MAX1836在输入电压为14V、输出为313V时的效率不低于83%,则知MAX1836可以提供的最大功率不低于4516mW。

214 线性稳压芯片TPS76030构成的串联稳压电路 由于MAX1836开关管工作频率高,电感内部会产生很高的电流、电压变化率(即高di/df和dv/dt),导致电源模块产生较强的电磁干扰,并通过传导、辐射和串扰等耦合途径,影响自身电路及其它电子系统的正常工作,电磁干扰将造成传输信号畸变,影响电子设备的正常工作

[4]

本设计中系统消耗功率范围为10~40mW,设计中选定最大功率为 …… 此处隐藏：5040字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……