電池供電的4~20mA電流源

1、電池供電的電池供電的 4 20mA 電流源電流源童有為20150513電池供電的電池供電的 4 20mA 電流源電流源 由題目可知，該系統(tǒng)是一個(gè)升壓可控恒流源系統(tǒng)。輸入2.5V4.5V，輸出最高28V。DC/DC升壓開(kāi)關(guān)電源電 流 檢 測(cè)與控制負(fù) 載RL控制系統(tǒng)直流輸入VinVo1Io420mA相關(guān)知識(shí) 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，常用電流信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送模擬信號(hào)。使用電流環(huán)路傳輸信號(hào)有利于抗干擾以及去除長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)電阻對(duì)信號(hào)的壓降，使得遠(yuǎn)距離測(cè)量或控制更加精確。Ri被測(cè)點(diǎn)電壓信號(hào)處理端電壓UiU1Ri信號(hào)處理端電壓UiRline1Rline2+-IiIi+-Vdrop+-VdropUiU1-2VdropU1+-R

2、s被測(cè)點(diǎn)UiRs信號(hào)處理端電壓UiRline1Rline2I1I1+-Vdrop+-VdropUi=I1xRsI1I1420mA相關(guān)知識(shí)工業(yè)上廠用420mA的電流環(huán)傳輸信號(hào)；用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿(mǎn)刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。 420mA電流環(huán)有兩種類(lèi)型：二線(xiàn)制和三線(xiàn)制。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)供電條件或電路功耗比較大時(shí)使用三線(xiàn)制。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有供電條件或電路功耗很小時(shí)使用二線(xiàn)制。二線(xiàn)制使用一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)，比三線(xiàn)制少一根導(dǎo)線(xiàn)，有利于節(jié)省成本。二線(xiàn)制420mA電流環(huán)一般由接收端供電，現(xiàn)場(chǎng)端從電流信號(hào)中獲得功率，以維持電路工作，并根據(jù)傳感器信號(hào)大小去調(diào)整輸入（也是輸出）電流。一般

3、使用24V供電（也有大于或小于24V電壓的），這就要去電路功耗要小于96mW；（實(shí)際更低）?；蛘哒f(shuō)，電路要保證靜態(tài)輸入電流小于4mA。420mA相關(guān)知識(shí)接收端常用250歐精密電阻將420mA電流轉(zhuǎn)換為1V5V信號(hào)。若線(xiàn)路太長(zhǎng)，線(xiàn)路電阻過(guò)大（檢流電阻、線(xiàn)路電阻、現(xiàn)場(chǎng)電路等效電阻三者之和大于1200歐，或更大），根據(jù)歐姆定律，最大電流將小于20mA，現(xiàn)場(chǎng)電路無(wú)法將輸入/輸出電流調(diào)整為20mA，電流源飽和。因此，需要控制線(xiàn)路電阻。可通過(guò)減小Rs、用更粗的導(dǎo)線(xiàn)減小導(dǎo)線(xiàn)電阻、或提高供電電壓來(lái)解決電流源飽和的問(wèn)題。Rs250UiRline1Rline2IinIout+-Vdrop+-Vdrop現(xiàn)場(chǎng)電路24

4、VGND+-Vo電流源的“飽和”恒流源特性 恒流源輸出恒定電流，該電流值應(yīng)與負(fù)載阻值無(wú)關(guān)（前提是電流源未飽和）。 但實(shí)際恒流源電路輸出電流會(huì)隨負(fù)載阻值變化而有微小的變化。 電流源的負(fù)載調(diào)整率表示負(fù)載變化時(shí)，電流源的穩(wěn)定程度。 該題中負(fù)載調(diào)整率定義為：（0歐負(fù)載時(shí)輸出電流-500歐負(fù)載時(shí)輸出電流）設(shè)定電流）。 例如：設(shè)定輸出10mA，負(fù)載短路時(shí)實(shí)際輸出電流10.1mA，負(fù)載接500歐電阻是實(shí)際輸出10mA ；則負(fù)載調(diào)整率為（10.1-10）/10=0.1/10=0.01(也可能電阻越大電流越大，計(jì)算出的負(fù)載調(diào)整率應(yīng)取絕對(duì)值)開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)知識(shí) 直流電壓不能通過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路升壓。 提升電壓可使用開(kāi)關(guān)

5、電容電路、Boost升壓電路、Flyback電路等實(shí)現(xiàn)。 開(kāi)關(guān)電容電路一般用于小電流（小功率）電壓提升倍數(shù)不是很大的場(chǎng)合。例如TI公司的電荷泵LM2765電路，可將低至1.8V的電壓升為11V，最大輸出電流20mA。開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)知識(shí) 非隔離開(kāi)關(guān)電源基本電路有降壓型Buck電路、升壓型Boost電路、極性反轉(zhuǎn)型（也叫升降壓型）Buck-Boost電路。開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)知識(shí) BUCK電路：降壓型，將高的輸入變?yōu)榈偷妮敵鲭妷篞145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT新型號(hào)的DC/DC中越來(lái)越多使用NMOS管作為開(kāi)關(guān)管。其開(kāi)關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)電流小，導(dǎo)通和截止特

6、性更接近理想開(kāi)關(guān)。VOUTD*VIND為PWM的占空比調(diào)整占空比可以調(diào)節(jié)輸出電壓Buck電路分析Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT1+-VonIL當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電源給電感充電，電感電壓VonVin-Vo；電感電流IL從左到右，且線(xiàn)性增加；到開(kāi)關(guān)關(guān)閉前，電感電流達(dá)到IPK（峰值電流）。二極管D1截止。開(kāi)關(guān)截止后，由于電感電流不能突變，仍以IPK起始值流動(dòng)，電流方向仍為從左到右且電流值線(xiàn)性下降；但此時(shí)電感處于放電狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)電源，電壓極性為左負(fù)右正。（電源內(nèi)部電流是從低電位流向高電位的。）Voff=Vo+VD Vo開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變

7、化時(shí)，電感電壓極性都會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT0+-VoffILBoost電路分析 Boost電路：升壓型，將低的輸入變?yōu)楦叩妮敵鲭妷篞145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUTVOUT VIN/(1-D）tonTD=tonTD（Vo-VIN）/VoBoost電路分析當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電源給電感充電，電感電壓VonVin；電感電流IL從左到右，且線(xiàn)性增加；到開(kāi)關(guān)關(guān)閉前，電感電流達(dá)到IPK（峰值電流）。二極管D1截止。開(kāi)關(guān)截止后，由于電感電流不能突變，仍以IPK起始值流動(dòng)，電流方

8、向仍為從左到右且電流值線(xiàn)性下降；但此時(shí)電感處于放電狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)電源，電壓極性為左負(fù)右正Voff=Vo-Vin-VD Vo-Vin；Vo Vin+VoffVin；實(shí)現(xiàn)升壓。Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUTQ145N06VINGNDPWMD1IN5822L1 100uHCo470uFGNDVOUT10+-VonIL+-VoffBuck-Boost電路分析 BUCK-BOOST升降壓電路：（也稱(chēng)極性反轉(zhuǎn)電路） 將正的輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓輸出。Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT負(fù)電壓例

9、如可以將+12V輸入轉(zhuǎn)換為-5V、-12V、-24V輸出。VINDDVout1VOUT是電壓絕對(duì)值Buck-Boost電路分析Q145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT1+-VonILQ145N06VINGNDPWMD1IN5822L1100uHCo470uFGNDVOUT負(fù)電壓1+-VoffIL當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電源給電感充電，電感電壓VonVin；電感電流IL從上到下，且線(xiàn)性增加；到開(kāi)關(guān)關(guān)閉前，電感電流達(dá)到IPK（峰值電流）。二極管D1截止。開(kāi)關(guān)截止后，由于電感電流不能突變，仍以IPK起始值流動(dòng)，電流方向仍為從上到下且電流值線(xiàn)性下降；但此時(shí)電感處

10、于放電狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)電源，電壓極性為上負(fù)下正Voff=Vo-VD Vo ；實(shí)現(xiàn)正電壓轉(zhuǎn)負(fù)電壓。電感電流波形三種拓?fù)潆娐?，無(wú)論開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)還是截止時(shí)，電感兩端電壓都恒定（其實(shí)有微小變化，電容容量越大，電壓變化越?。虼?，電感電流上升斜率為一常數(shù)，下降斜率也是一常數(shù)。也就是說(shuō)，在開(kāi)關(guān)周期性導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)，電感電流波形是一鋸齒波（或三角波）。電路達(dá)到穩(wěn)定后，電感電流紋波tItIIOffoffononACLUoffLUon2開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（電感充電）開(kāi)關(guān)截止（電感放電）tontoffUonLUoffL開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（電感充電）開(kāi)關(guān)截止（電感放電）tontoff電感峰值電流Ipk電感平均電流ILACIACII電感電

11、流三種導(dǎo)電模式 r越小，說(shuō)明電流紋波相對(duì)也較小，則輸出電壓紋波相應(yīng)也較小。 一般，電流紋波率r取0.4左右為最佳。ILtIDCILtIDCILtIDC電感電流連續(xù)模式電感電流臨界連續(xù)模式電感電流斷續(xù)模式CCMBCMDCMr2見(jiàn)參考資料精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)美Sanjaya Manikala著，王志強(qiáng)等譯，人民郵電出版，2008年10月第1版伏秒法則 電路達(dá)到穩(wěn)定后（即輸出電壓穩(wěn)定后）電感每個(gè)周期內(nèi)充電能量等于釋放能量，每個(gè)周期電感電流起始值都相等，充滿(mǎn)電后的電流峰值也相等。由得tUtUOffoffonontItIIOffoffononACLUoffLUon定義：伏秒積tUtUOffoffononEt

12、則：LEtI 對(duì)于給定的輸入輸出電壓，其Uon、ton為常數(shù)，即Et為常數(shù)，說(shuō)明電感量大小與電流紋波成反比。電感量越大，電流紋波越小。單位：VuS 伏微秒電流紋波率 定義電流紋波率，則： 電感量計(jì)算公式開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（電感充電）開(kāi)關(guān)截止（電感放電）tontoffUonLUoffL開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（電感充電）開(kāi)關(guān)截止（電感放電）tontoff電感峰值電流Ipk電感平均電流ILACIACIIIIIDCACLIr2LEtrIILILrEtL電流紋波率是電感電流交流分量與直流分量的比值。開(kāi)關(guān)電源的占空比 占空比D=ton/T=ton/(ton+toff) 由Et=Vonton=Vofftoff 得VVVoffono

13、ffD（適用于所有拓?fù)洌┴?fù)載電流電感平均電流IL占空比DVoVo-VinVoVoffVinVinVin-VoVonBuck-boostboostbuckVinVoD VoVinVoDVoVinVoDDIIOL1DIIOL1IIOL表1.三種變換器的傳遞函數(shù)電感量的計(jì)算 可用公式 或 計(jì)算ILrEtLfrDVonLIL其中，r取0.4計(jì)算電感量，實(shí)際取值可以大于等于計(jì)算值。f為工作頻率，由驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的控制器決定。電感電流IL由負(fù)載電流IO決定。Von由輸入電壓和輸出電壓確定。升壓型DC/DC電感計(jì)算實(shí)例 例如，輸入最低2.5V，輸出28V，輸出電流25mA，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，求電感值。 解：

14、(1)對(duì)于Boost變換器，應(yīng)在輸入電壓最低時(shí)計(jì)算電感。(2)占空比D=（Vo-Vin）/Vo=25.5/28=0.91(3)周期T=1/f=1/100KHz=10uS(4)導(dǎo)通時(shí)間ton=D*T=0.91*10=9.1uS(5)伏秒數(shù)Et=Von*ton=Vin*ton=2.5*9.1=22.75VuS(6)電感平均電流IL=Io/(1-D)=25mA/0.09=278mA=0.278A(7)L=Et/(r*IL)=22.75/(0.4*0.278)=204uH;取L=200uH(8)電感電流峰值：Ipk=(1+r/2)IL=1.2IL=0.336A總之，需要200uH，飽和電流在0.336

15、A以上的電感。電感的參數(shù) 如淘寶網(wǎng)上，正規(guī)廠家的電感器都標(biāo)有電感量和電感電流兩個(gè)參數(shù)線(xiàn)性恒流源電路線(xiàn)性恒流源電路電池供電420mA電流源電源系統(tǒng)方案 方案一BAT1Boost2.54.5V28VGNDBuck3.3V給單片機(jī)、運(yùn)放液晶等供電線(xiàn)性恒流源負(fù)載GNDGNDGNDD=0.91025mATPS61045TPS54062電池供電420mA電流源電源系統(tǒng)方案 方案2BAT1Boost2.54.5V5VGNDLDO3.3V給單片機(jī)、運(yùn)放液晶等供電線(xiàn)性恒流源負(fù)載GNDGNDGNDD=0.5BoostGNDD=0.8228V025mAHT7133XC6219LMR64010TPS61251LM26

16、21TPS61085LM2733電池供電420mA電流源電源系統(tǒng)方案 方案三BAT12.54.5VGND電荷泵給單片機(jī)、運(yùn)放液晶等供電線(xiàn)性恒流源負(fù)載GNDGNDGNDBoost528VMCUPWM025mA3.3VREG710-33電池供電420mA電流源電源系統(tǒng)方案 方案四BAT12.54.5VGND電荷泵3.3V給單片機(jī)、運(yùn)放液晶等供電開(kāi)關(guān)恒流源負(fù)載GNDGNDGNDMCU025mAREG710-33TPS61040TPS61041由單片機(jī)調(diào)節(jié)的升壓開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)在有許多單片機(jī)具有PWM輸出端口，可利用AD轉(zhuǎn)換端口測(cè)量輸出電壓，根據(jù)輸出與設(shè)定的誤差調(diào)整PWM占空比，可調(diào)節(jié)輸出電壓。這種方式成為

17、軟件閉環(huán)負(fù)反饋方法，要求單片機(jī)速度要足夠快，否則由于運(yùn)算延時(shí)過(guò)大，容易造成過(guò)調(diào)節(jié)，使輸出產(chǎn)生振蕩?？捎糜谳斎腚妷合鄬?duì)穩(wěn)定，負(fù)載電流變化小或變化慢的場(chǎng)合。MCUQ1BSC019N04GNDL1200uHD1IN5819C110uGNDVIN2.54.5C210u4.528VGNDR110kR2100kGNDto ADPWM升壓電路的單片機(jī)控制L1200uHD1IN5819C110uGNDVIN2.54.5C210u4.528VGNDR110kR2220kGNDFBVfb=1.236VR310k0.1236mAR310kC31uGNDPWMV=2.47V時(shí)，Vo=Vin-0.5VV=1.23V時(shí)，

18、Vo=28.4VFrom MCUBoostSWVOBuck電路取樣點(diǎn)電流注入方式調(diào)壓通過(guò)給取樣點(diǎn)注入直流電流，從而改變輸出電壓。這種方式仍屬于硬件負(fù)反饋，對(duì)單片機(jī)和DA速度沒(méi)有要求，穩(wěn)壓效果較好。缺點(diǎn)：不能從0V調(diào)起，只能從芯片Vref調(diào)起。但本題DCDC后還有一級(jí)線(xiàn)性穩(wěn)壓，因此，從1.23V起調(diào)沒(méi)有問(wèn)題。+VIN1VO2GND3FB4ON/OFF5U20LM2596-ADJ24VC20470uGNDD20IN5822GNDL2068uHC20470uGNDR2212KR211KGNDVo1GNDGNDR233kD/AC?CAP05V內(nèi)部Vref=1.23V輸出穩(wěn)定后4腳FB端=1.23V當(dāng)D

19、A輸出5V時(shí)，使R23上電流恰好等于R21電流此時(shí)，R22電流為0，Vo=Vref，輸出電壓最低當(dāng)DA輸出0V時(shí)，R22上電流等于R21與R23電流之和選擇R22合適阻值，使輸出達(dá)到滿(mǎn)量程最大電壓外接基準(zhǔn)和誤差放大器方式 由于反饋環(huán)路中加了一級(jí)比較器，使得反饋時(shí)延增大，輸出紋波會(huì)比分壓點(diǎn)電流注入方式大。+VIN1VO2GND3FB4ON/OFF5U20LM2596-ADJ24VC20470uGNDD20IN5822GNDL2068uHC21470uGNDR223.3KR211.1KVo1GNDGNDR23100kD/AC2CAP05V內(nèi)部Vref=1.23V輸出穩(wěn)定后4腳FB端=1.23V32184U22ALMC6482GNDGND5VC3104abR233k軌至軌運(yùn)放直流增益為開(kāi)環(huán)增益無(wú)窮大，比較后電壓要等于1.23V，a、b點(diǎn)電壓應(yīng)相等a點(diǎn)電壓為輸出VO1的1/4，則Vo1=4*Vda輸出電流測(cè)量 輸出電流測(cè)量是電源中經(jīng)常要求包含的內(nèi)容。主要用于顯示電流或進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。 電流檢測(cè)有介入測(cè)量和非介入測(cè)量。 介入測(cè)量是在電流通路上串聯(lián)一個(gè)小的精密