为工业现场数据采集变送器设计隔离电源，并降低器件成本

1.前言

现场变送器为工厂提供了一种自动化检测、测量和通信关键系统重要数据（如温度、压力和流量）的方法。一些估计表明，每年有超过 1 亿个现场变送器出货，以支持全球工业应用。如果没有现场变送器的测量输出，工厂自动化就不会那么准确或可靠，并且限制了其有效性。

在探讨现场发射机的重要性及其设计挑战之前，让我们简要定义现场发射机。

图 1：压力变送器

在基本层面上，现场变送器是一种设备，它使用传感器来测量和传达有关周围环境（温度、压力、流量等）的信息。该设备将其测量结果转换为可读的电信号，然后长距离传输数据将电缆连接到能够处理信息并计算后续步骤的集中设备。一种更常见的现场变送器架构，通常称为两线或回路供电系统，在 4 至 20 mA 总线上运行，是本文的重点。

2.现场变送器电源注意事项

虽然很明显为什么现场发射器的传感元件需要尽可能靠近被测试设备，但在传感技术的功耗允许的情况下，为什么两线发射器是首选选项可能并不那么明显。4 至 20 mA 发射器根据需要进行通信和表示的测量从接收器汲取电流：最低测量读数低至 3.8 mA，最高测量读数最高 20.5 mA。两线制变送器最适合的原因是电流既充当系统的电源又充当信号总线；传感器位置不需要辅助电源，从而实现强大的信号完整性和使用更便宜且数量明显更少的电线的能力。

3.现场变送器设计挑战

由于 4 至 20 mA 频谱的低端，所有两线制现场变送器必须设计为在低于 3.6 mA 的电流下工作。这给设计人员带来了困难的功耗预算，他们现在必须评估每个设计选择的功耗。并非所有传感技术都能够在 <3.6 mA 下运行。

现场发射器确保尽可能靠近源进行测量，尽管它们可能距接收器数百甚至数千米。虽然这种设置旨在帮助提高工厂设置的准确性和有效性，但长距离部署中无意的接地回路实际上可能会产生相反的效果，导致测量不准确，甚至降低工厂效率。

为了克服这一挑战，在传感器和电流回路之间增加了一个隔离屏障，可以实现传感器和接收器的独立接地，从而消除无意的接地回路。

4.隔离功率预算

从历史上看，设计人员只有两种选择来在必要的功率预算内隔离他们的系统：光耦合器或脉冲变压器。由于这两种隔离技术可能消耗多达三分之一的可用电流，因此设计人员必须做出许多系统架构决策以适应隔离，例如节流数据速率；添加额外的微控制器以减少跨越隔离屏障的通信线路；并采购最低功耗、最高额定温度的选项。图 2 显示了这种脉冲变压器架构的示例。

图 2：现场变送器示例 - 用于数据隔离的单通道脉冲变压器

尽管有许多优点，但数字隔离器历来在现场发射器设计中几乎没有用处，因为它们消耗的电流量超出了预算要求。但是数字隔离器技术的重大进步，例如降低功耗，已经实现了关键的现场发射器系统改进。例如，TI 的ISO7941超低功耗数字隔离器在静态操作中每通道的功耗可低至 4.2 µA。

优势包括：

· 超低功耗可扩展性。 10 kbps 时低于 20 µA 的总功耗为系统提供了显着的功率，并实现了历史上无法在功率预算内完成的其他系统改进。

· 提高数据速率/吞吐量。 高达 2 Mbps 的数据速率可改进传感器和发射器之间的数据传输。

· 更宽的温度范围。 -55°C 至 125°C 的扩展温度范围可以使发射器在极端条件下使用，而无需采购额定温度更高、成本更高的光耦合器。

· 减小了解决方案的大小。 在不到一半的面积内增加了通道数，同时降低了高度要求，从而实现了更紧凑的设计并降低了印刷电路板成本。

· 提高可靠性和可预测性。 与光耦合器相比，高度受控的半导体工艺提供可靠的隔离，具有明确定义的行业标准隔离栅寿命和更低的器件间差异。

为了在隔离式 4 至 20 mA 设计上领先一步，提供了隔离式温度变送器设计使用 TI 的最新器件。图 3 是显示两种设计协同工作的框图。

图 3：隔离式温度变送器参考设计框图

需要精确和丰富的传感器测量是现场变送器对于在工厂自动化领域运行智能和安全过程至关重要的原因。虽然降低整体系统成本继续推动对低功耗两线解决方案的需求，但时代已经改变，4 通道ISO7401  和 2 通道ISO7021 等数字隔离器 可以提高可靠性并增强功能，同时坚持功率和成本预算。随着自动化的不断扩展和改进，必须不遗余力地提高吞吐量、提高一致性并降低成本和能源。