自主控制解决方案
　　4 mA 至 20 mA 电流环路是通过双绞线电缆从远程传感器到 PLC 进行准确可靠数据传输的主导行业标准。简单、耐用、稳健、经过验证的长距离可靠数据传输、良好的抗噪性和低实施成本，使该接口非常适合长期工业过程控制和嘈杂环境中远程对象的自动监控。传统上，出于前面列出的许多原因，电流环路的电源是通过线性稳压器提供的。与开关稳压器相比，使用线性稳压器的缺点是效率相对较低且电流能力有限。效率低下可能会导致散热问题，并且有限的电流通常会妨碍添加所需的控制系统功能。

　　新型高效率、高输入电压降压稳压器功能强大且体积小巧，足以取代许多电流环路系统中的线性稳压器。与线性稳压器相比，降压稳压器有很多优点，包括更高的电流能力、更宽的输入范围和更高的系统效率。降压稳压??器具有显着的性能优势，在高开关频率下具有较短的 tON 时间，从而产生紧凑、稳健的解决方案。

　　图 1 所示的标准 4 mA 至 20 mA 电流环路可用于将来自现场仪表的传感器信息和控制信号传送到过程调制设备，例如阀门定位器或其他输出执行器。它由四个部分组成：
　　电流环电源：电源V DC电压根据应用而变化（9 V DC、12 V DC、24 V DC等），电势至少比组合组件的压降高 10%。电路（例如发射器、接收器和电线）。该 V DC由本地降压稳压器利用，为传感器和其他组件供电。
　　变送器：变送器的主要部件是传感器或换能器。它将物理信号（例如温度、压力、电流、距离或磁场）转换为电信号。如果转换后的信号是模拟电压，则需要使用变送器中的电压电流转换器将其转换为 4 mA 至 20 mA 电流信号。对于智能数字输出传感器，DAC 将数字信号转换回模拟信号。发射器中的本地电源（LDO 或降压调节器）为所有这些模拟、数字和参考电路供电。
　　接收器或监视器：接收器将 4 mA 至 20 mA 电流信号转换为电压信号，可以进一步处理和/或显示。通过高精度分流电阻器R SHUNT和/或模数转换器或数据采集电路将电流信号转换为电压电平。在仪器终端中，本地降压稳压器为接收器电路供电。

　　2 线或 4 线环路：完整的电流环路可以延伸超过 2000 英尺，包括串联的发射器、电源和接收器。在2线4mA至20mA电流环路中，电源与电流环路共享同一环路。

　　图 1.  2 线电流环路图。
　　例如，要使用远程压力传感器测量 0 psi 至 50 psi 的压力，请将 4 mA 至 20 mA 电流接收器电路与压力-电流传感器串联。在传感器一侧，当压力为 0 psi 时，读数为 4 mA；当压力为 50 psi 时，读数为 20 mA。在接收器一侧，基尔霍夫定律告诉我们，在分流电阻器上会出现相同的电流，并在此处将其转换为电压信号。
　　工业、炼油厂、高速公路监控和消费应用中的自主操作需要高性能传感器技术和可靠、准确的电流环路来传递传感器信息。电流环路组件必须在 –40°C 至 +105°C 的扩展工业范围内保持高精度、低功耗和可靠运行，并具有所需的安全性和系统功能。
　　发射器（传感器）侧的源电压在瞬态期间可达 65 V，必须将其转换为 5 V 或 3.3 V。由于传感器电路通常设计为直接从电流环路获取功率（无需额外的、本地电源），通常限制为 3.5 mA。随着发送器上添加更多功能和特性，当使用无法提供任何额外电流的传统线性稳压器时，这种限制就成为一个问题。此外，使用线性稳压器的系统中的大部分功率必须在稳压器本身中燃烧，从而在封装系统中产生大量热量。
　　LT8618 将输入范围扩展至 65 V，并将负载能力扩展至 15 mA。其高效率消除了电流环路系统设计中的热约束，其中发射器被封装并暴露在恶劣的环境变化中。提出了一种低成本滤波器来减少电压纹波和电缆侧电流纹波。本文分析了电源调节器的性能并提供了组件选择指南以满足严格的工业要求。提供效率、启动、纹波等测试数据。
　　使用具有扩展输入和负载范围的降压转换器闭合电流环路
　　LT8618 是一款紧凑型降压转换器，具有许多功能，可满足工业、汽车和其他不可预测电源环境的要求。它非常适合 4 mA 至 20 mA 电流环路应用，具有超低静态电流、高效率、宽输入范围、高达 65 V 和紧凑的尺寸。图2显示了一个完整的发送器电路解决方案，使用LT8618为MAX6192C高精度基准、电压-电流转换和其他电路供电。
　　分流电路 2SC1623 处的电流与误差放大器 (EA) 正输入端施加的电压成正比。 2.5 V 参考电压由 MAX6192C 产生，该精密参考 IC 具有低噪声、低压差和 5 ppm/°C（值）的低温漂移。对于具有与环境变量成比例的数字输出的智能传感器，DAC 可以将数字信号转换为模拟信号并将其馈送到误差放大器。
　　ISHUNT=
　　(VDC1+VREF)R12
　　R11RSENSE
　　(1)
　　因此，通过 EA、BJT (2SC1623) 和 100 Ω (±0.1%) 检测电阻 (RSENSE)，传感器将电流环路中的电流从 4 mA 调制到 20 mA，其中 4 mA 代表活零20mA代表信号。即使现场变送器没有过程信号输出，4 mA 的实时或升高的零电流也可以为设备供电。因此，分流电路中的电流与环境变量成正比，例如压力、温度、液位、流量、湿度、辐射、pH 值或其他过程变量。

　　两条长电线是承载信息的电流环路的一部分，也用于从接收器侧的电源V DC向发送器供电。 V DC的电压应足以覆盖导线、分流器上的压降以及变送器的工作电压。源电压取决于应用，通常为 12 V 或 24 V，但也可以高达 36 V。

　　图 2. 使用 LT8618 作为直流电源的电流环路。
　　在远程发送器终端，肖特基二极管 (D1) 可保护发送器免受反向电流的影响。通过放置在输入端的齐纳二极管或 TVS (D2) 二极管提供进一步的保护，以限制瞬态电压浪涌，该电压浪涌与电流环路的电感成正比。 LT8618 高效单片降压稳压器将环路电压降压至 5.5V 或 3.3V，为基准电压源、DAC 和其他功能块供电。
　　在图 2 中，V DC和发射器之间的电线范围可以从几英尺到 2000 英尺。电流环路的杂散电感与降压调节器的输入电容器形成LC谐振回路。电源侧 (V DC ) 的瞬变也会出现在远程发射器的输入侧。对于坏情况的无阻尼振荡，峰值电压可能是 VDC 的两倍。例如，如果工作输入电压为 24 V（典型规格为 36 V），则发送器侧的电压有超过 65 V 的风险。可以在发送器前面使用 TVS 二极管 D2 来实现轻松保护。发送器限制瞬态期间的任何浪涌，如图 2 所示。
　　或者，可以通过使用 LDO 稳压器保护 LT8618 免受高压偏移的影响来构建高效系统。在这种拓扑中，LDO 稳压器将调节至输入减去其压差电压，而 LT8618 则将该约 24 V 电压高效地转换为 5 V 或 3.3 V。 LDO 稳压器的电流限制应设置为低于典型的 3.8 mA，同时保持高效率，并且 LT8618 的输入电容器基本上同时充当去耦电容器和存储电容器。这将能够实现下游高负载的短脉冲串，而电流环路中的电流消耗极小甚至没有。由于高压偏移很短，通常携带很少的总能量，因此在这些瞬态期间 LDO 稳压器中产生的功率损耗不会影响整体效率；也就是说，LDO 稳压器几乎所有时间都处于高降压比。

　　典型的电流环路限制为整个远程发射器供电的电源电路的输入电流，并且 LDO 稳压器的可用负载电流不能超过此输入电流限制。另一方面，降压调节器可以倍增提供给负载的输入电流。图 3 显示了 LT8618 稳压器在 24 V 输入至 5.5 V 转换过程中的输出电流与输入电流的关系。对于 3.8 mA 的输入电流限制，输出电流几乎为 15 mA。这种额外的能力通过增加操作空间和启用附加功能块来简化系统设计人员的工作。

　　图 3. 输出电流与输入电流，V IN = 24 V，V OUT = 5.5 V。
　　突发模式操作提高了小负载时的效率
　　LDO 稳压器的效率与降压比 (V OUT /V IN ) 成正比，并且当输入电压略高于输出电压时可以保持高效。问题出现在高降压比时，效率非常低，对系统产生显着的热应力。例如，输入电压为 55 V、输出电压为 3.3 V 时，LDO 稳压器的功率损耗为 0.19 W，负载电流为 3.8 mA。相比之下，正确设计的降压稳压器在高降压比下可以非常高效。此外，通过用 MOSFET 取代续流二极管，同步降压稳压器可以比异步稳压器提高效率。同步降压转换器面临的挑战是优化整个负载范围内的效率，特别是在 3 mA 至 15 mA 的轻负载下，此时输入电压可能高达 65 V。
　　对于典型的同步降压转换器，三种功率损耗占主导地位：开关损耗、栅极驱动损耗以及与转换器 IC 控制器逻辑电路相关的损耗。如果降低开关频率，则可以显着降低开关和栅极驱动损耗，因此只需以低频运行转换器即可减少轻负载时的开关和栅极损耗。
　　在轻负载时，逻辑电路的偏置损耗与相对较低的开关相关损耗相当。偏置电路通常由输出供电，仅在启动和其他瞬态条件下通过内部 LDO 稳压器从输入获取电源。
　　在轻负载时，LT8618 通过在突发模式下工作来解决逻辑电路损耗问题，在突发模式下，电流以短脉冲传送至输出电容器，然后是相对较长的休眠期，此时大多数逻辑控制电路都被关闭。

　　为了进一步提高轻负载时的效率，优选使用较大值的电感器，因为在短开关脉冲期间可以将更多能量传递到输出，并且降压调节器可以在这些脉冲之间保持更长时间的睡眠模式。通过限度地延长脉冲之间的时间并限度地减少每个短脉冲的开关损耗，LT8618 的静态电流可低于 2.5μA，同时保持输出在高达 60V 的输入电压下保持稳定。由于许多发送器电路大部分时间都消耗低电流与消耗数十或数百 ?A 的典型降压型器件相比，这种低静态电流可显着节省能源。

　　图 4 显示了图 2 所示电流环路解决方案的效率，其中 5.5 VOUT 输出轨连接至 LT8618 的 BIAS 引脚。在 100 mA 满负载、28 V 输入和 82 ?H 电感器下，峰值效率达到 87%。对于相同的 28 V 输入，10 mA 负载效率达到或超过 77% 可以说更令人印象深刻。
　　图 4.  LT8618 在轻负载时具有高效率，V IN = 28 V，V OUT = 5.5 V，L = 82 ?H。图片由博多电力系统提供  [PDF]
　　输入滤波器可限制浪涌电流和电流环路纹波
　　功率调节器的输入连接到电流环路，因此除了稳态电流限制之外，限制启动或负载瞬变期间的纹波电流和浪涌电流也很重要。电源转换器启动期间的浪涌电流取决于给定软启动时间的输入和输出电容器的大小。这就是权衡：化输入电容器以防止大的浪涌电流，同时使其足够大以保持可接受的低纹波。
　　降压转换器的输入电流是脉冲的；因此，输入电容器在为纹波电流提供滤波路径方面起着关键作用。如果没有这个电容器，大量纹波电流将流过长电流环路，导致降压器表现不可预测。因此，的输入电容满足纹波电流和纹波电压的要求。多层陶瓷电容器 (MLCC) 由于 ESR 和 ESL 较低，因此在纹波电流方面具有性能。
　　当转换器在突发模式下工作时，电感电流遵循三角波形。电流环路的阻抗远高于输入滤波器。因此，输入电容器上的纹波电压可以通过以下公式估算，忽略电容器的 ESR 和 ESL，其中 IPEAK 是降压电感器中的突发电流，VR 是输入电容器上的纹波电压（显然是更大的电容）需要更高的突发电流）：
　　C=I2PEAKL2VRVIN(2)　　为了限度地减少输入电压纹波，同时保持输入电容尽可能小，我们更喜欢较小的降压电感。尽管如此，大电感器的突发模式效率会更好。对于 82 ?H 电感和 1 V 纹波，为了避免在任何输入情况下触发 UVLO，对于使用 LT8618 的该应用来说，100 nF 输入电容器就足够了。
　　大部分纹波电流通过本地去耦电容器，剩余部分与电流环路共享相同的路径。保持电缆侧的电流纹波较小非常重要，因为它会以电压纹波的形式出现在分流检测电阻器上，并且电压纹波的幅度需要小于读取分流器两端电压的 ADC 的分辨率规格检测电阻。通过附加滤波器可以进一步降低电流纹波。 RC 滤波器是一种很好的设计权衡，因为输入电流很小，而且与 LC 滤波器相比成本较低。通过两级或三级 RC 滤波器级联可以进一步实现更小的纹波电流。
　　LTspice 仿真使我们能够比较三种不同输入滤波器结构（输入路径中串联总电阻为 100 Ω）的源电缆侧的电流纹波，使用 V IN = 28 V 和 V OUT = 5.5 V的 LT8618 ，和一个 82 ?H 电感器。电流脉冲相当于输入滤波器将 LT8618 稳压器视为 10 mA 输出电流的输入电流。

　　100 Ω 和 100 nF 的单级 RC 滤波器在源电缆侧的电流纹波峰峰值超过 60 A。随着更多电容的增加或滤波级的级联，源电缆侧的纹波电流变得更小。鉴于降压稳压器在使用更大的直接输入电容器时性能更好，并且 2 级 RC 滤波器的 BOM 比 3 级滤波器更小，同时在源电缆侧提供类似的电流纹波，我们建议使用 2- 级滤波器。每级 50 Ω 和 47 nF 的级滤波器。源电缆侧纹波电流约为 30 μA，相应地，它会在 250 Ω 分流电阻上产生约 7.5 mV 的纹波电压，这对于 8 位分辨率 ADC 来说几乎足够了。为了进一步减少电缆侧纹波电流，可以在滤波器中使用更大的电容。例如，如果将 47 nF 电容替换为 100 nF 电容，则电缆侧纹波电流可降至仅 7 A，对应于 1.75 mV 的纹波电压。

　　图 5. 电流环路源侧的电流纹波。图片由博多电力系统提供

　　在典型的电流环路应用中，客户会在启动期间指定电流限制（例如 3.2 mA），但在指定的短时间内可能会超过该限制。在降压转换器中，高浪涌电流通常会对输入电容器充电。输入滤波器的功能有两个：除了限制电缆源侧的纹波电流外，它还有助于限制启动浪涌电流。图 6 显示了 2 级输入滤波器启动期间输入电流随时间变化的情况，输入 V IN为 24 V，输出侧负载电流为 4 mA。

　　图 6. 使用输入滤波器限制浪涌电流的启动电流（从顶部开始：输入电压 20 V/格，输出电压 5 V/格，启用，电缆侧输入电流，10 mA/格）。图片由博多电力系统提供