耗电流低于200 μA的低功耗4 mA至20 mA过程控制电流环路

mA至20 mA电流环路广泛用于采用数字或模拟输入输出的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。

电路功能与优势

图1所示电路是一个4 mA至20 mA电流环路发送器，用于过程控制系统与其执行器之间的通信。除具有高性价比外，此电路还是业界功耗最低的解决方案。电流环路接口之所以颇受青睐，是因为它能以高性价比方式进行长距离抗扰数据传输。低功耗双通道运算放大器AD8657 、DACAD5621和基准电压源ADR125的组合，可以为微控制器和数字隔离器等更高功耗器件提供更多功耗预算。此电路输出电流为0 mA至20 mA。4 mA至20 mA范围一般对应表示DAC或微控制器的输入控制范围，0 mA至4 mA的输出电流范围则常用于诊断故障条件。

图1 PIC32MX795F512方框图

12位、5 V AD5621需要75 μA的电源电流(典型值)。AD8657是一款轨到轨输入/输出双通道运算放大器，而且是目前业界功耗最低的放大器之一(在整个电源电压和输入共模范围内，其耗电流为22 μA)，工作电压最高可达18 V。ADR125是精密微功耗5 V带隙基准电压源，仅需要95 μA电源电流。这三个器件总共消耗192 μA的电源电流(典型值)。

电路描述

对于工业和过程控制模块，4 mA至20 mA电流环路发送器用作控制单元与执行器之间的通信手段。12位DAC AD5621位于控制单元，根据输入代码产生0 V至5 V之间的输出电压VDAC。代码通过SPI接口设置，输入代码与输出电压之间的理想关系可用下式表示：

其中：

VREF为ADR125的输出电压和AD5621的电源电压

D是载入AD5621的二进制代码的十进制等效值

DAC输出电压设置流过检测电阻RSENSE的电流

流过RSENSE 的电流作为VDAC 的函数在0 mA至2 mA范围内变化。此电流会在R1两端产生一个电压，并设置AD8657放大器(A2)的同相输入端电压。A2 AD8657使环路闭合，并将反相输入端电压拉至与同相输入端相同的电压。因此，流过R1的电流以10倍的系数镜像到R2，这可以通过公式3表示：

VDAC 的范围为0 V至5 V，因此该电路产生的电流输出范围为0 mA至20 mA。

AD5621是一款12位DAC，属于 nanoDAC系列，采用基准电压源ADR125的5 V输出电压工作。它有一个片内精密输出缓冲器，该缓冲器能够提供轨到轨输出摆幅，因此其动态输出范围非常高。电源电压为5 V时，AD5621消耗的电源电流为75μA(典型值)。

图 2. 0 mA至20 mA输出电流

图3 输出电流误差图

此外，本电路解决方案需要一个轨到轨输入放大器，双通道运算放大器AD8657是绝佳选择，具有低功耗和轨到轨特性。在额定电源电压和输入共模电压范围内，该运算放大器的工作电源电流为22μA(典型值)。它还提供出色的单位电流噪声和带宽性能。AD8657是功耗最低的放大器之一，工作电源电压最高可达18 V。

ADR125是一款精密、微功耗、低压差(LDO)基准电压源。输入电压为18 V时，静态电流仅95μA(典型值)。之所以首选LDO基准电压源，是因为它能使从控制单元到执行器的环路电线承受更多压降。为了保持稳定，ADR125的输出端需要一个0.1 μF小电容。另外再并联一个0.1μF至10μF电容可以提高负载瞬态响应性能。虽然输入电容不是必需的，但建议使用。输入端可以串联一个1μF至10μF的电容，以改善电源电压突然变化时的瞬态响应性能。再并联一个0.1 μF电容同样有助于降低电源噪声。

还需要旁路电容(图1中未显示)。本例中每个双通道运放的每个电源引脚上都应有一个10μF钽电容与一个0.1 μF陶瓷电容并联。

该电路解决方案输出0mA至20mA的电流。图2显示在250 Ω负载电阻中测得的电路输出电流。图3所示为输出电流误差图。

常见变化

对于14位或16位分辨率的解决方案，请考虑采用AD5641 或AD5662，16 V CMOS运算放大器ADA4665-2 是另一个选择，可以代替AD8657，它的性价比更高，电压噪声更低，但缺点是电源电流较高。针对此类应用选择放大器时，务必确保不要超出输入共模电压和电源电压范围。

对于更高的电源电压，请考虑采用基准电压源ADR02 ，其工作电源电压最高可达36 V。