环路供电智能变送器的功率限制

现代现场仪表，也称为智能变送器，是基于微处理器的智能现场仪表，用于监控过程控制变量。这种现场设备正变得越来越智能，因为一些处理能力正在从集中控制室分配到现场域。系统设计人员面临的直接挑战是，结合额外的智能、功能和诊断功能，同时开发能够在4 mA至20 mA环路的有限功率内有效运行的系统。本文探讨了市场中一些关键趋势的重要性，并就如何在整体系统级和智能变送器设计的基本信号链元件中有效解决这些问题提供了见解。

大多数智能变送器是环路供电（2线）设备。从回路获取的电力必须为仪器内部的所有内容供电，包括传感器和所有支持电子电路。由于最小环路电流为4 mA，因此无法增加此类设计可用的3.5 mA（“低报警”设置）最大允许系统功率预算。因此，在为智能变送器设计选择组件时，功耗是首要考虑因素。

智能变送器通常位于危险或偏远地区，直接访问常规系统维护任务是有问题的。这就是预测性维护功能发挥至关重要的作用，无需将服务人员部署到现场。因此，设备在自身健康方面变得越来越有自我意识。

变送器通过标准的 4 mA 至 20 mA 模拟回路将过程变量传送到控制室。这是过程关键测量的首选通信模式，因为它非常坚固，并且本质上对噪声和压降不敏感。随着现场智能化的趋势，HART（高速可寻址远程传感器）通信正在成为在现场设备和控制室之间以数字方式传输附加诊断信息的行业双向协议。简而言之，直流和低频2 mA至4 mA电流信号由独立的高频信号调制，该信号在一对频率（20.1 kHz和2.2 kHz）之间切换，这种技术称为频移键控或FSK。该2 mA峰峰值FSK信号调制到模拟电流信号上，而不会中断原始初级变量传输。

与所有应用一样， 可用的PCB面积有限，导致所用组件的类型和尺寸受到限制.这种PCB面积限制因发射器外壳尺寸减小和对补充功能的需求而变得更加复杂。因此，每个组件都需要高水平的片上集成。

随着系统级集成变得越来越普遍，挑战转向提高系统组件精度和分辨率方面的性能。选择具有指定性能和总误差规格的组件，以实现绝对精度和温度漂移，对于实现准确稳定的变送器解决方案至关重要。这也有助于消除对多个昂贵的校准程序的需求，从而降低生产成本并提高终端系统的可制造性。

在研究了一些关键的市场趋势之后，现在让我们仔细看看实际的环路供电的4 mA至20 mA智能发射器信号链。

图3所示信号链中的两个传感器是智能变送器设计中的常见传感器，其中主变量依赖于次变量，例如主变量的温度补偿。传感元件测量环境参数或过程变量。传感器输出信号需要调节和放大。通常使用低噪声精密仪表放大器。这里的一个关键点是低噪声和低功耗之间的权衡。然后，经过调理的传感器信号由ADC采样。为了提供高性能的16位现场仪表输出，需要分辨率大于16位的ADC。高分辨率、高动态范围Σ-Δ型ADC通常是首选架构。ADC输出信号的数字信号处理是信号链的下一个阶段。这是在微控制器内完成的。这里通常使用具有>32 MIPS的10位RISC控制器，例如ARM Cortex-M3™。控制器还需要辅以适量的闪存、SRAM和其他外设，如上电复位功能、时钟生成、数字接口和一系列诊断功能。因此，微控制器（μC）是一个复杂的组件，可能需要大量功率，因此每mW可以完成的处理越多越好。

除了处理测量结果外，μC还用于控制DAC，而DAC又控制环路电流。除了DAC的低功耗要求外，选择这部分信号链的其他重要方面是高精度、温度稳定性和固有的诊断功能，所有这些都增强了系统性能和稳定性。提供给该DAC的基准电压源的准确性和稳定性也至关重要。

HART调制解调器与μC的UART接口一起馈入DAC，在智能变送器设计中实现HART通信，并在检索仪器的过程和诊断信息方面起着至关重要的作用。同样，低功耗和小尺寸是选择HART调制解调器组件时的重要考虑因素。难题的最后一部分是电源管理电路，如图3所示，作为稳压器模块。这直接从环路获取电源，并提供一个稳压电源，为所有概述的发送器信号链组件供电。

在这样的应用中，每一微安都很重要，图0267所示的HART智能发送器演示电路（CN-2）[4]证明非常宝贵。该电路由ADI公司开发，使用精密模拟微控制器ADuCM360 [3]、5421位、4 mA至16 mA环路供电DACAD4 [20]和兼容HART标准的IC调制解调器AD5700 [5]。模拟前端电路针对低功耗操作进行了优化，同时保持了所需的高模拟性能。微控制器内核可以配置为正常工作模式，功耗为290 μA/MHz。它具有非常灵活的内部电源管理选项，可通过选择内部时钟速度和动态切换内部模块的电源来权衡功耗。HART调制解调器的典型发射和接收电流分别为124 μA和86 μA，因此不会对总体电流预算产生重大影响。同样，环路供电DAC的最大静态电流仅为300 μA，温度范围内的总未调整误差规格为±0.048% FSR，从而最大限度地提高了通信测量的粒度，而不会对系统功耗产生不利影响。

图4.启用HART的智能变送器演示框图。

更详细地检查该解决方案，并将其与图3中概述的通用信号链进行比较：

微控制器片内ADC 0测量现场仪表主传感器（在本例中为电阻桥压力传感器），而第二个片内ADC用于测量次级温度传感器信号。这允许对主传感器进行温度补偿。两个仪表放大器也集成在μC芯片上，以及激励电流源、基准电压源和其他支持模拟电路。所有现场仪表数字功能均由低功耗 32 位 ARM Cortex-M3 RISC 处理器提供。

本设计中的第二个主要元件是环路供电DAC（AD5421），它通过SPI接口与μC接口。该DAC是一款完整的环路供电数字转4mA至20 mA转换器，集成了基准电压源、环路接口级和可编程稳压电路，这是从环路中提取低电源所必需的，从而为其自身和发射器信号链的其余部分供电。DAC还提供许多片上诊断功能，所有这些功能都可以由微控制器配置和读取，但也可以自主工作。

最后，HART调制解调器通过标准UART接口连接到微控制器。HART输出由容性分压器调节到所需的幅度，并耦合到DAC的CIN引脚，在那里它与DAC输出相结合，以驱动和调制输出电流。HART输入通过一个简单的无源RC滤波器从LOOP+耦合。RC滤波器可用作HART解调器的第一级带通滤波器，并提高了系统电磁抗扰度，这对于在恶劣工业环境中工作的鲁棒应用非常重要。HART调制解调器的时钟由片内低功耗振荡器产生，该振荡器带有一个3.8664 MHz的外部晶体，两个8.2 pF电容接地，直接连接到XTAL引脚。此配置使用尽可能少的功率。

表1列出了该DEMO-AD5700D2Z系统中的电流击穿情况。它不仅功耗低，而且还是一种高性能解决方案，面积开销最小，更不用说符合HART标准了。它已经过合规性测试、验证，并注册为HART通信基金会批准的HART解决方案。这种成功的注册为电路设计人员在使用电路中概述的组件时提供了高度的信心。

	电路块	电源电流（毫安）
传感器	主传感器（阻性电桥，5V 时为 5kΩ）	0.660
	次级传感器（RTD，200 μA 激励）	0.200
	总	0.860
ADuCM360	仪表放大器 1 （增益 = 8）	0.130
	仪表放大器 2 （增益 = 16）	0.130
	24位ADC 1，包括输入缓冲器	0.140
	24位ADC 2，包括输入缓冲器	0.140
	基准电压源、RTD 电流源基准	0.135
	uC 内核、闪存、SRAM（内核时钟 = 2 MHz）	0.790
	SPI， UART， 定时器， 看门狗， 其他电路	0.085
	时钟发生器	0.170
	总	1.720
AD5421	16 位数字转换器	0.050
	V-to-I 驱动程序	0.060
	电压基准	0.050
	电源管理、稳压器	0.055
	SPI， 看门狗， 其他电路	0.010
	总	0.225
AD5700	调制器/解调器（最坏情况，发射）	0.124
	时钟发生器（带外部晶体）	0.033
	总	0.157
	板载其他电路、动态电流等	0.138
	合并合计	3.100

图5.启用HART的智能发射器演示系统。

总之，上述电路展示了一种可能的解决方案，以应对环路供电智能变送器设计中涉及的多方面挑战，以满足不断增长的市场需求。通用发送器信号链讨论以及ADI公司提供的解决方案直接解决了这些挑战，平衡了每个组件所需的功率分配，从而形成了一个全面的信号链，可满足市场领先的现代多功能智能发送器设计的功耗、性能、尺寸和诊断要求。

图3.智能发射器信号链。

审核编辑：郭婷