關(guān)于兩線(xiàn)制變送器微功率隔離電源設計，我們來(lái)先看看變送器是什么？傳感器是能夠受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱(chēng)，通常由敏感元件和轉換元件組成。當傳感器的輸出為規定的標準信號時(shí)，則稱(chēng)為變送器。而常見(jiàn)的類(lèi)型有功率變送器，電流電壓變送器等等。
在開(kāi)發(fā)低功耗的智能兩線(xiàn)制變送器時(shí)，儀器內部的微功率電源設計十分關(guān)鍵。首先，一般情況下具有微處理器的智能變送器要滿(mǎn)足微控制器、A/D、D/A及通訊電路的供電，需要比普通4~20mA變送器更大的功率，需要內部電源具有更高的供電效率。另外，對于電容傳感器和熱電偶，還要考慮接地或者傳感器可能碰殼（接地）的情況，所設計的變送器電路必須是輸入與輸出相隔離的，這樣才能夠保證后續控制系統的正常工作和抗共模干擾能力。由于外部電路為兩線(xiàn)制變送器系統提供的工作電流最大4mA，這些具體要求給系統電源的設計帶來(lái)了很大的難度和挑戰。設計的微輸入功率的隔離式兩線(xiàn)制變送器電源采用全集成電路設計，具有結構簡(jiǎn)單、性能穩定、成本低廉的特點(diǎn)。它以降落在兩線(xiàn)制變送器上的12~35VDC為輸入電源，設計了簡(jiǎn)潔的恒流穩壓前端輸入電路，固定消耗315mA電流，提供了兩組互相隔離的3V電源。與輸入不隔離的一組最大具有5mA負載能力，與輸入隔離的一組最大具有3mA負載能力，完全滿(mǎn)足輸入與輸出隔離型的兩線(xiàn)制變送器對電源的要求。

1.整體設計
圖1為電源原理圖。它由3個(gè)主要部分組成：U1、R1和Z1構成的315mA/812V恒流穩壓電路；由U2為核心構成的DC/DC變換電路；由L2和U3構成的一組隔離電源。系統設計力求精簡(jiǎn)、高集成度，并且所有元器件都選擇了能夠工作于-40~85℃擴展工業(yè)級溫度區間的產(chǎn)品，能夠保證電源可靠應用于現場(chǎng)變送器。

圖1電源原理圖
1.1恒流穩壓電路
作為給兩線(xiàn)制變送器供電的電源，必須保證最大工作電流不超過(guò)4mA，考慮到變送器需要有一定的低零點(diǎn)輸出指示，一般系統供電標準為315mA以下，同時(shí)，這類(lèi)電源必須具有恒流特性，以保證兩線(xiàn)制變送器的工作特性。設計恒流源的方法很多，該設計采用了三端可調穩壓器LM317L來(lái)設計恒流源[2].
LM317L是三端可調穩壓器，圖2是它的典型應用。圖2（a）是它作為標準穩壓器時(shí)的基本應用，此時(shí)在它的輸出端與調整端之間固定產(chǎn)生一個(gè)穩定的壓差，典型值為1125V，因此，它的輸出電壓VO=1125（1+Ra/Rb）。利用LM317的輸出端于調整端之間具有穩定壓差的特性，它也經(jīng)常被用來(lái)設計恒流源，圖2（b）是典型應用電路，它產(chǎn)生的電流大小為I=1125/R.參見(jiàn)圖1，設計中R1取值為360Ω，故可以獲得約315mA的恒流�？紤]到后續的DC/DC芯片的工作電壓范圍為4~11V，同時(shí)考慮到實(shí)際電源的輸出功率大小，使用了1個(gè)812V的穩壓管Z1完成并聯(lián)穩壓功能，同時(shí)為U2提供穩定的入口電壓，條件是U2總消耗電流小于314mA，Z1必須選擇在小于011mA擊穿電流時(shí)即可穩定的優(yōu)質(zhì)穩壓管（可選用Philips公司的產(chǎn)品，最低靜態(tài)穩定電流僅幾十μA）。

圖2 LM317L典型應用圖
電路前端的D1為防反相二極管，一般采用1N4148即可。熔絲選擇了PTC器件自恢復保險絲，指標為100mA/60V，保證電源故障時(shí)不影響外部供電電源。
由于電源的最終應用場(chǎng)合為現場(chǎng)變送器，它所處的環(huán)境溫度變化范圍是比較大的，因此必須考慮到溫度漂移的因素。電源的主要溫漂就是恒流的漂移，產(chǎn)生的原因是LM317L的基準壓差的溫度漂移以及恒流電阻R1的溫度漂移。實(shí)際電路中，R1選擇了溫度系數低于5×10-6/℃的產(chǎn)品，溫漂可以忽略不計。LM317L的基準壓差與溫度關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，在-40~85℃的溫度范圍內，溫度的影響較明顯，在高精度應用時(shí)必須進(jìn)行補償�？紤]到電源的實(shí)際應用都是針對智能變送器的，在智能變送器系統中，出于對傳感器校正以及線(xiàn)路補償等目的，變送器電路中都會(huì )設計溫度傳感器，如LM75或者TC77等數字測溫芯片，故此電路沒(méi)有設計專(zhuān)門(mén)的硬件補償，而是提供了一個(gè)軟件補償的算法，用戶(hù)在應用電源的時(shí)候可以采用它對電源的溫度漂移進(jìn)行補償。

圖3 LM317L基準溫度特性曲線(xiàn)圖
如圖3所示，LM317L的基準壓差與溫度關(guān)系曲線(xiàn)近似于簡(jiǎn)單的三次多項式函數關(guān)系形式，只需要設計Y軸反向的補償函數即可，系統以20℃為補償基點(diǎn)進(jìn)行校準，具體補償公式為ΔI=A（t-20）2+B（t-20）3式中t為環(huán)境溫度。
系數A和B可以依據實(shí)際采用的LM317L芯片手冊提供的基準電壓溫度曲線(xiàn)導出，最簡(jiǎn)單的做法就是取-20℃和60℃2個(gè)點(diǎn)，獲取2個(gè)二元一次方程來(lái)求解A和B.
這樣就能很容易獲取一個(gè)擬合程度比較好的補償曲線(xiàn)近似函數，補償后的溫度漂移影響基本可以忽略不計。112 DC/DC變換電路
由于電源最大的設計難點(diǎn)是輸入功率極小，因此對于隔離端的設計不能采用功耗比較大的隔離反饋模式，實(shí)際電路采用了副邊開(kāi)環(huán)的方式。具體使用MAX639來(lái)設計DC/DC核心電路，實(shí)現了較高的電能效率轉換，在315mA供電輸入時(shí)可以提供遠大于315mA的電流給電路供電，從而解決了智能系統大電流的需求。
根據系統的要求，核心芯片必須具備微功耗、高效率、輸入電壓范圍寬，以及外圍器件簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖1中DC/DC芯片為MAXIM公司的MAX639[3]，它是降壓型DC/DC轉換芯片，它的主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍寬（4~1115V）；轉換效率高（可達90%以上）；靜態(tài)電流低（10μA）；可固定輸出或可調輸出。
電路設計為可調輸出，輸出設定為3V.輸出電流
Io=（Vi Iiη）/Vo
式中：Vi為輸入電壓；Ii為輸入電流；η為轉換效率；Vo為輸出電壓。
電路中Vi=812V，Ii=315mA，η=90%，Vo=3V，在不考慮隔離副邊輸出時(shí)，可獲得的Io約為816mA，這個(gè)輸出電流在微功耗系統中已經(jīng)是比較大的供給能力了。以上Io的計算只是理論上的，要想在315mA/812V這樣微輸入功率的條件下使電路可靠啟動(dòng)，并獲得90%以上的轉換效率需要對電路進(jìn)行非常細致的設計。
DC/DC的可靠啟動(dòng)是由許多條件制約的，必要的條件就是必須提供足夠大的啟動(dòng)脈沖電流。在Z1旁并聯(lián)了1只10μF的鉭電解電容C2提供啟動(dòng)保證，同時(shí)也能夠有效避免DC/DC的工作對LM317的恒流特性產(chǎn)生干擾。
電感L1對DC/DC的轉換效率起決定作用，MAXIM手冊提供的算法是L1=50/IO，L1的單位是μH，IO的單位是A.實(shí)際電路中L1的取值為4mH，能夠保證電路在最大輸出功率下穩定工作，同時(shí)又能夠保證足夠高的轉換效率。需要強調的是，如果L1偏小，電路的轉換效率將降低，啟動(dòng)電流增大，甚至無(wú)法啟動(dòng)。如果L1偏大，則會(huì )造成輸出能力下降，同時(shí)DC/DC電路將可能產(chǎn)生振蕩。
為保證電路的穩定，DC/DC芯片對輸出電容C3有著(zhù)很高的要求，最重要的一點(diǎn)就是它的等效串聯(lián)電阻ESR必須足夠小[4]，同時(shí)要有足夠的容量。電路設計采用了性能優(yōu)良的10μF鉭電解電容器，能夠保證穩定的輸出。
DC/DC芯片是該電路的核心，實(shí)際電路線(xiàn)路布局對電路的性能影響非常大，尤其對輸出的紋波有直接影響，不合理的電路板布局設計甚至會(huì )在輸出帶來(lái)額外的寄生振蕩，設計時(shí)必須注意。最重要的原則就是C2與LI引線(xiàn)端要盡量靠近MAX639引腳，C2、D2、MAX639、R3以及C3的接地引腳盡量靠近，盡量使用粗線(xiàn)，最好使用地平面。
DC/DC的輸入電壓設定為812V，由Z1保證，如果實(shí)際的變送器要求的電源功率比較小，Z1則可以選擇更低的穩壓值，這樣能夠使整個(gè)電源對入口電壓要求更低。設計的入口電壓低限為12V，如果Z1選擇612V，則入口低限電壓可以降低到10V.
1.3隔離電源繞組
電路的主要特色是提供了一個(gè)隔離的供電繞組，它采用了在DC/DC輸出儲能電感上"竊"電的方法。如圖1所示，L2就是這個(gè)隔離電源的供電線(xiàn)圈。由于這組隔離電源是在DC/DC的儲能線(xiàn)圈上加載的副線(xiàn)圈，結構為開(kāi)環(huán)形式，因此它的輸出穩定性相對比較差，在整體設計時(shí)必須從多角度統籌考慮，才能夠獲得滿(mǎn)意的效果。
首先要確定它的輸出功率。由于采用在儲能線(xiàn)圈上"竊"電的方法，它的輸出功率是受限制的，只能小于原邊輸出功率。這組隔離電源輸出在具體變送器應用時(shí)主要為傳感器轉換電路、前端A/D轉換器和隔離電路供電。差動(dòng)電容傳感器、熱電偶傳感器及熱電阻等傳感器的模擬測量電路耗電是μA級的，前端A/D一般采用多積分型或者Σ-Δ型A/D，耗電小于1mA，低功耗光電隔離整體也能夠作到1mA以下。因此，隔離繞組只要保證能提供3mA的電流就能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要，已經(jīng)計算出在無(wú)副繞組情況下，電路最大輸出為816mA，顯然在有副繞組的情況下，完全可以為它提供3mA電流。
其次，隔離繞組由于采用開(kāi)環(huán)結構，原邊負載的變化直接影響副邊的穩定性，因此電路在實(shí)際使用時(shí)，要求原邊的電路系統在運行時(shí)需要盡可能保證功耗的穩定性，盡量避免對功耗比較大的器件使用工作/休眠輪換的方式。電路能夠為原邊提供最大5mA的使用電流，完全能夠滿(mǎn)足常用微功耗MCU控制系統的工作，不需要使用休眠方式，這樣做還能夠獲得最大的系統運行速度。
最后，由于隔離電源繞組主要為前端小信號模擬電路供電，對電源的質(zhì)量要求較高，因此設計時(shí)將低壓差線(xiàn)性穩壓器和DC/DC轉換器配合使用。將經(jīng)DC/DC轉換的輸出低電壓經(jīng)過(guò)低壓差線(xiàn)性穩壓器（LDO）的降噪和穩壓處理，這樣取長(cháng)補短，既可以提高供電效率，又可滿(mǎn)足紋波電壓小的要求，具體LDO采用了MAX1726芯片[5]，它的工作電流僅2μA，輸出為313V.穩壓前的輸出幅度取決于原邊的輸出功率和L2的電感量，經(jīng)試驗確定，L2為3mH，當原邊電流在3~5mA之間變化，副邊電流為2mA時(shí)，穩壓前電壓在318~418V之間波動(dòng)，滿(mǎn)足LDO穩壓對輸入的要求。

2.結論
兩線(xiàn)制變送器隔離式電源具有使用溫度范圍寬、輸入電壓范圍寬、輸出效率高、集成度高、隔離性能好、體積小、成本低等特點(diǎn)，是一種穩定可靠的兩線(xiàn)制變送器電源，能夠滿(mǎn)足各種具有復雜要求的兩線(xiàn)制變送器的使用。該電源目前已經(jīng)在一體化智能溫度變送器上獲得應用，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的現場(chǎng)應用考驗，性能優(yōu)良，完全達到了隔離型兩線(xiàn)制變送器的使用要求。