發布日期：2022-05-11 點擊率：24
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智能傳感器變送器在工廠自動化、生產過程用檢測儀表和控制設備中得到了廣泛的應用，用于測量溫度、壓力、流量、水平面和許多其他的過程變量。圖 1 是現場變送器的方框圖，其采用一個電阻式溫度檢測器 (RTD)、熱敏電阻或熱電偶來測量主要的變量。
圖 1：針對過程控制應用的溫度變送器方框圖
該信號鏈路包括傳感器模擬前端、微控制器 (MCU) 以及高精度模數轉換器和數模轉換器。
依靠 4-20mA 環路給智能傳感器供電
雖然基本傳感器變送器電路的 MCU 和數據轉換器通常專為低工作電流而優化，但是高性能智能傳感器應用中增加的功能導致了電流需求的升高。例如：當該電路包含了諸如隔離、校準和診斷、液晶顯示器接口、或無線連接選項（如藍牙低能耗或無線 HARTa）等特性時，電流消耗將較大。
此類智能傳感器系統將也許不能滿足 4-20mA 環路的典型欠標度電流門限或 4mA 零標度電流水平。例如：標定 TI DAC161S997 的低誤差電流和高誤差電流的默認環路電流分別為 3.375mA 和 21.75mA。NAMUR NE43 規格具有相似的電流門限。幸運的是，一款高效率同步降壓型轉換器可提供高于低壓差穩壓器的輸出電流來給傳感器電子電路供電，同時從環路收集小于 3.375mA 的電流。
寬 VIN、低 IQ 同步降壓型轉換器
對于給傳感器充電，由 TI 提供的 LM5165 同步降壓型解決方案擁有高效率和超低的靜態電流 (IQ = 10.5μA)。由于采用一個 20:1 寬輸入電壓 (VIN) 范圍工作并能夠承受重復的 65V 浪涌，因此其輸出電壓對于輸入端上含噪聲的大電壓擺幅具備耐受力。這種抗瞬變性能在要求高可靠性的傳感器應用中是至關重要的。
輸入濾波器和保護 寬 VIN 低 IQ 同步降壓型轉換器
圖 2：脈沖頻率調制 (PFM) 同步降壓型轉換器原理圖，包括一個 EMC 濾波器和保護電路
圖 2 示出了針對一個 5V/25mA 輸出配置的轉換器原理圖。增設一個擁有反向極性和瞬變/ 浪涌電壓保護功能的輸入濾波器有助于實現電磁兼容性 (EMC)。
LM5165 中內置的面向智能傳感器應用的各種特性包括一種用于實現最佳解決方案尺寸的簡單控制架構、用于提供低壓差的 100% 占空比能力、一個用于電源軌排序和故障報告的漏極開路電源良好指示電路、在內部固定或從外部可調的軟起動 (SS)、以及具有可定制遲滯以提供可編程線路欠壓閉鎖 (UVLO) 功能的高精度啟用。而且，一種可調的逐周期電流限制優化了電感器選擇和尺寸。圖 3 顯示出了對于 0.1mA 至 30mA 負載電流的轉換器效率和功率耗散。
左側縱坐標：效率 (%) 右側縱坐標：功率損耗 (mW) 橫坐標：輸出電流 (mA) |
圖 3：LM5165 降壓型轉換器的典型效率（輸出額定值針對 5V/25mA 擬訂）
寬 VIN、低 IQ 降壓型轉換器的價值定位
諸如 LM5165 等寬 VIN 降壓型轉換器的優勢在于其可滿足一組特定電源解決方案需求的連貫統一特性集：
可在寬負載電流范圍內實現高效率的同步降壓設計。
改善的可靠性（額定工作結溫達 150°C）
具有足夠裕量的寬 VIN 范圍可安全耐受輸入電壓瞬變擾動，因而允許使用一個較高電壓（和較小占板面積）的瞬變抑制器二極管 (TVS)。
小的解決方案尺寸適用于空間受限的傳感器外殼。
減小了輸入電容以滿足本質安全 (IS) 應用環境的要求。
開關模式電壓的主動轉換速率控制減少了高頻傳導及輻射 EMI 特征。
為了充分發揮新式環路供電型傳感器變送器的潛能并保持簡單的兩線式架構，一款低 IQ 同步降壓型轉換器可提供足夠的負載電流，同時滿足電流環路、解決方案尺寸、可靠性和 EMC 要求。
其他資源
歡迎您在 TI 的模擬精密技術雜談 (Precision Hub blog) 中閱讀更多有關兩線式、4-20mA 傳感器變送器的內容。
歡迎訂購用于 LM5165 同步降壓型轉換器的 PFM 和恒定導通時間評估模塊。
歡迎采用 LM5165 快速啟動設計工具以加速設計進程，并仔細觀察在輸出電流的對數及線性標度上繪制的轉換器效率曲線。
查看單芯片變送器參考設計中的 TI Designs MSP430? HART 協議 + 調制解調器，這是一款把 MSP430 微控制器用于 HART 通信的智能傳感器變送器設計。
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