二線制4-20ma電流環中的多余電能再利用

常州天威自動化科技有限公司 薄中亞

4-20ma電流環是一種模擬信號的傳送方式，它利用電流進行信號的傳輸，具有抗干擾能力強，數據傳輸準確的特點可以有效的克服長距離傳輸中環境的干擾，大大提高電路的傳輸可靠性。電流環的信號傳輸方式能耗雖然看起來已經很低但是除去正常的信號傳輸外仍有不少額外的電能被消耗掉，本文設計了一種采用寬輸入電壓范圍的DC-DC電源利用4-20ma電流環路信號的多余電能設計出一個額外的3.3V的電源可以在系統中加以利用從而實現了電流環路多余電能的再利用

一、4-20ma電流環的組成

4-20ma電流環就是使用4ma表示零信號，用20ma表示信號的滿刻度信號環路。在結構上有傳感器、發送器、接收器和電源組成，如圖1所示，傳感器用來測量某一物理參數并提供相應的輸出電壓。

電流環中的發送器將傳感器的輸出電壓成比例的轉換為4-20ma的直流電流，接收器接受電流并將其轉換為相應的電壓等待系統做相應的判斷，電源則為整個系統提供電源。

圖1 電流環的組成

二、高效DC-DC同步降壓轉換器應用

以德州儀器（TI）生產的TPS62177系列高效同步降壓轉化器為核心元件設計高效DC-DC同步降壓轉換器。該器件的寬輸入電壓范圍為4.7V至28V，4-20ma電流環的供電電壓是24V，由此可知該器件完全適應電流環電壓的范圍，正常的工作，該芯片靜態損耗電流只有4.8uA，低功耗設計使得該芯片可以在對電流環最小的干擾的情況下充分利用電流環中多余的電壓。

按照芯片手冊的典型電路要求，我們設計了圖2的電路，具體元件的參數如圖1中所示，在系統中降壓轉換器利用電流環中多余的電流和電壓來為用電終端額外提供一個電壓為3.3V電流最大可達500mA的電源。

圖2 高效DC-DC同步降壓轉換器

圖3 電流環高效DC-DC電源模塊的接線

三、基于DC-DC高效同步降壓轉換器的4-20ma多余電能再利用的設計

在實際應用中只需要選擇適當的位置將電源串聯入電流環路，降電源的負極設為零電位，電源即可正常運行，如圖3所示。在4-20ma電流環正常工作的同時TPS62177的電源憑借著超寬的工作范圍為發送器端或者接收器端提供一個穩定的電源，可以用于數據和設備狀態的采集，發射等等，從而不要單獨設置電源和獨立走線，而且利用的全部都是電流環路中多余的電能。

四、結語

本文是基于TPS62177的高效轉換器作為核心，來進行4-20ma電流環多余電能的充分利用，在現實實驗中我們已經利用這個方案成功為3.3V的無線數傳模塊提供了電源并且發送了完整的電流環接收端的數據，在不增加系統功耗的前提下簡化了布線，提升了系統的集成度，降低了使用和維護成本，擴展了4-20ma電流環路的應用范圍。