4-20mA输出电路原理详解

一款控制器需要通过4-20mA的信号控制外部负载。

要求4-20mA的信号需要与控制器实现电气隔离;

输出电流数值的精度在全温度范围内需要达到5%的精度要求;

分辨率需要达到0.05mA;

经过一番考虑之后，我设计了以上的电路;

4-20mA输出电路

电路原理

单片机输出PWM信号通过光耦合之后，之后再经过R、C滤波网络滤成直流，

直流信号经过运放构成的电压跟随器进行阻抗变化之后，送到由电流环芯片XTR115;

XTR115

由其转成电流信号输出到负载;

假设单片机输出的PWM信号的频率为f，周期为T，占空比为α，

当R、C滤波网络的时间常数远大于PWM信号的周期T时(一般需要为周期T的10倍，

其滤得的直流信号幅度为VH*α。

根据XTR115的规格书，输出电流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

几个设计要点

1) N沟通MOS的可靠导通和截止

光耦6N135的参数如下：

最大正向导通电流：25mA;

正向导通电压：1.4V-1.75V;

电流传输比(正向电流为4mA)>=5%;

将正向导通电流的最小值设置为4mA左右;

根据IF=(V3.3V-VF)/R25=4mA，可以选择R25为300Ω;

当PWM输出低时，光耦最小导通电流为4mA;

最小输出电流为4mA*5%=0.2mA;

N沟通MOS的门-源级最小电压为0.2mA*R7;

为了让N沟通MOS AO3400的导通电压尽量小，这里选取GS的最小驱动电压为4.0V;

因此R7=4.0V/0.2mA=20KΩ。

此时，AO3400的源、漏极的导通电阻最大为35mΩ;

2) 精度、分辨率以及其它

根据输出电流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

VH为XT115的参考电压2.5V，

当占空比为100%时，输出电流选为25mA。

算得Rin取值为10KΩ，精度选为1%;

为了达到0.05mA的分辨率，最小占空比为0.05/25=0.2%。

综合考虑电流输出的响应时间等，PWM的频率选为1KHz，脉宽的最小调节宽度为1us。

PWM的上升和下降沿必须要尽量陡峭，否则，上升、下降的延时时间受器件随机性以及环境影响比较大。

为了达到这一目的，选择开关频率达到1MHz的高速光耦6N135，而且合理选择光耦的负载电阻，避免由于其进入深入饱和，使得恢复时间变长而边沿不够陡峭。

当Q2截止时，参考电压Vref通过R6、R24向C53充电;充电时间常数为(R6+R24)*C53;

当Q2导通时，C53通过R24以及Q2的导通电阻RDS(on)放电;

PWM滤波电路

PWM信号的周期的1ms，充放、电时间常数选择20ms;

因此，R6选为1KΩ、R24选为20KΩ，C53选为0.1uF;

为了避免三极管的C、E的导通电压影响PWM转为直流电压的精度，将Q2选择为N沟通的场效应管;

2) 三极管Q1的功耗和温升

三极管Q1工作于放大状态;

假设工作电压为U，输出电流为I，负载电阻为R;

三极管Q1的功耗为P=(U-I*R)*I，当I=U/2/R时，功率最大;

但是实际上，电流最大范围为0mA-25mA。

最大功率为Pmax=U*U/4/R;

控制器承诺的工作范围为12V-24V;

当U=24V，负载电阻R为100Ω，电流为25mA时，功率最大Pmax=(24-2.5)*25mA=537.5mW。

TO220封装的热阻约为θJA=54℃/W，最大温升为0.5375*54℃/W=29℃。

原文标题：光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点

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审核编辑：汤梓红