原创 微功率隔离电源设计

关于两线制变送器微功率隔离电源设计，我们来先看看变送器是什么？传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。而常见的类型有功率变送器，电流电压变送器等等。 在开发低功耗的智能两线制变送器时，仪器内部的微功率电源设计十分关键。首先，一般情况下具有微处理器的智能变送器要满足微控制器、A/D、D/A及通讯电路的供电，需要比普通4~20mA变送器更大的功率，需要内部电源具有更高的供电效率。另外，对于电容传感器和热电偶，还要考虑接地或者传感器可能碰壳（接地）的情况，所设计的变送器电路必须是输入与输出相隔离的，这样才能够保证后续控制系统的正常工作和抗共模干扰能力。由于外部电路为两线制变送器系统提供的工作电流最大4mA，这些具体要求给系统电源的设计带来了很大的难度和挑战。设计的微输入功率的隔离式两线制变送器电源采用全集成电路设计，具有结构简单、性能稳定、成本低廉的特点。它以降落在两线制变送器上的12~35VDC为输入电源，设计了简洁的恒流稳压前端输入电路，固定消耗315mA电流，提供了两组互相隔离的3V电源。与输入不隔离的一组最大具有5mA负载能力，与输入隔离的一组最大具有3mA负载能力，完全满足输入与输出隔离型的两线制变送器对电源的要求。 1.整体设计 图1为电源原理图。它由3个主要部分组成：U1、R1和Z1构成的315mA/812V恒流稳压电路；由U2为核心构成的DC/DC变换电路；由L2和U3构成的一组隔离电源。系统设计力求精简、高集成度，并且所有元器件都选择了能够工作于-40~85℃扩展工业级温度区间的产品，能够保证电源可靠应用于现场变送器。

图1 电源原理图

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1.1恒流稳压电路 作为给两线制变送器供电的电源，必须保证最大工作电流不超过4mA，考虑到变送器需要有一定的低零点输出指示，一般系统供电标准为315mA以下，同时，这类电源必须具有恒流特性，以保证两线制变送器的工作特性。设计恒流源的方法很多，该设计采用了三端可调稳压器LM317L来设计恒流源。 LM317L是三端可调稳压器，图2是它的典型应用。图2（a）是它作为标准稳压器时的基本应用，此时在它的输出端与调整端之间固定产生一个稳定的压差，典型值为1125V，因此，它的输出电压VO=1125（1+Ra/Rb）。利用LM317的输出端于调整端之间具有稳定压差的特性，它也经常被用来设计恒流源，图2（b）是典型应用电路，它产生的电流大小为I=1125/R.参见图1，设计中R1取值为360Ω，故可以获得约315mA的恒流。考虑到后续的DC/DC芯片的工作电压范围为4~11V，同时考虑到实际电源的输出功率大小，使用了1个812V的稳压管Z1完成并联稳压功能，同时为U2提供稳定的入口电压，条件是U2总消耗电流小于314mA，Z1必须选择在小于011mA击穿电流时即可稳定的优质稳压管（可选用Philips公司的产品，最低静态稳定电流仅几十μA）。

图2 LM317L典型应用图

电路前端的D1为防反相二极管，一般采用1N4148即可。熔丝选择了PTC器件自恢复保险丝，指标为100mA/60V，保证电源故障时不影响外部供电电源。由于电源的最终应用场合为现场变送器，它所处的环境温度变化范围是比较大的，因此必须考虑到温度漂移的因素。电源的主要温漂就是恒流的漂移，产生的原因是LM317L的基准压差的温度漂移以及恒流电阻R1的温度漂移。实际电路中，R1选择了温度系数低于5×10-6/℃的产品，温漂可以忽略不计。LM317L的基准压差与温度关系曲线见图3，在-40~85℃的温度范围内，温度的影响较明显，在高精度应用时必须进行补偿。考虑到电源的实际应用都是针对智能变送器的，在智能变送器系统中，出于对传感器校正以及线路补偿等目的，变送器电路中都会设计温度传感器，如LM75或者TC77等数字测温芯片，故此电路没有设计专门的硬件补偿，而是提供了一个软件补偿的算法，用户在应用电源的时候可以采用它对电源的温度漂移进行补偿。

图3 LM317L基准温度特性曲线图

如图3所示，LM317L的基准压差与温度关系曲线近似于简单的三次多项式函数关系形式，只需要设计Y轴反向的补偿函数即可，系统以20℃为补偿基点进行校准，具体补偿公式为ΔI=A（t-20）2+B（t-20）3式中t为环境温度。系数A和B可以依据实际采用的LM317L芯片手册提供的基准电压温度曲线导出，最简单的做法就是取-20℃和60℃2个点，获取2个二元一次方程来求解A和B。这样就能很容易获取一个拟合程度比较好的补偿曲线近似函数，补偿后的温度漂移影响基本可以忽略不计。 1.2 DC/DC变换电路 由于电源最大的设计难点是输入功率极小，因此对于隔离端的设计不能采用功耗比较大的隔离反馈模式，实际电路采用了副边开环的方式。具体使用MAX639来设计DC/DC核心电路，实现了较高的电能效率转换，在315mA供电输入时可以提供远大于315mA的电流给电路供电，从而解决了智能系统大电流的需求。根据系统的要求，核心芯片必须具备微功耗、高效率、输入电压范围宽，以及外围器件简单等优点。图1中DC/DC芯片为MAXIM公司的MAX639[3]，它是降压型DC/DC转换芯片，它的主要特点：输入电压范围宽（4~1115V）；转换效率高（可达90%以上）；静态电流低（10μA）；可固定输出或可调输出。 电路设计为可调输出，输出设定为3V.输出电流：Io=（Vi Iiη）/Vom 式中：Vi为输入电压；Ii为输入电流；η为转换效率；Vo为输出电压。 电路中Vi=812V，Ii=315mA，η=90%，Vo=3V，在不考虑隔离副边输出时，可获得的Io约为816mA，这个输出电流在微功耗系统中已经是比较大的供给能力了。以上Io的计算只是理论上的，要想在315mA/812V这样微输入功率的条件下使电路可靠启动，并获得90%以上的转换效率需要对电路进行非常细致的设计。 DC/DC的可靠启动是由许多条件制约的，必要的条件就是必须提供足够大的启动脉冲电流。在Z1旁并联了1只10μF的钽电解电容C2提供启动保证，同时也能够有效避免DC/DC的工作对LM317的恒流特性产生干扰。电感L1对DC/DC的转换效率起决定作用，MAXIM手册提供的算法是L1=50/IO，L1的单位是μH，IO的单位是A.实际电路中L1的取值为4mH，能够保证电路在最大输出功率下稳定工作，同时又能够保证足够高的转换效率。需要强调的是，如果L1偏小，电路的转换效率将降低，启动电流增大，甚至无法启动。如果L1偏大，则会造成输出能力下降，同时DC/DC电路将可能产生振荡。 为保证电路的稳定，DC/DC芯片对输出电容C3有着很高的要求，最重要的一点就是它的等效串联电阻ESR必须足够小[4]，同时要有足够的容量。电路设计采用了性能优良的10μF钽电解电容器，能够保证稳定的输出。 DC/DC芯片是该电路的核心，实际电路线路布局对电路的性能影响非常大，尤其对输出的纹波有直接影响，不合理的电路板布局设计甚至会在输出带来额外的寄生振荡，设计时必须注意。最重要的原则就是C2与LI引线端要尽量靠近MAX639引脚，C2、D2、MAX639、R3以及C3的接地引脚尽量靠近，尽量使用粗线，最好使用地平面。DC/DC的输入电压设定为812V，由Z1保证，如果实际的变送器要求的电源功率比较小，Z1则可以选择更低的稳压值，这样能够使整个电源对入口电压要求更低。设计的入口电压低限为12V，如果Z1选择612V，则入口低限电压可以降低到10V。

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1.3隔离电源绕组 电路的主要特色是提供了一个隔离的供电绕组，它采用了在DC/DC输出储能电感上"窃"电的方法。如图1所示，L2就是这个隔离电源的供电线圈。由于这组隔离电源是在DC/DC的储能线圈上加载的副线圈，结构为开环形式，因此它的输出稳定性相对比较差，在整体设计时必须从多角度统筹考虑，才能够获得满意的效果。 首先要确定它的输出功率。由于采用在储能线圈上"窃"电的方法，它的输出功率是受限制的，只能小于原边输出功率。这组隔离电源输出在具体变送器应用时主要为传感器转换电路、前端A/D转换器和隔离电路供电。差动电容传感器、热电偶传感器及热电阻等传感器的模拟测量电路耗电是μA级的，前端A/D一般采用多积分型或者Σ-Δ型A/D，耗电小于1mA，低功耗光电隔离整体也能够作到1mA以下。因此，隔离绕组只要保证能提供3mA的电流就能够满足实际需要，已经计算出在无副绕组情况下，电路最大输出为816mA，显然在有副绕组的情况下，完全可以为它提供3mA电流。 其次，隔离绕组由于采用开环结构，原边负载的变化直接影响副边的稳定性，因此电路在实际使用时，要求原边的电路系统在运行时需要尽可能保证功耗的稳定性，尽量避免对功耗比较大的器件使用工作/休眠轮换的方式。电路能够为原边提供最大5mA的使用电流，完全能够满足常用微功耗MCU控制系统的工作，不需要使用休眠方式，这样做还能够获得最大的系统运行速度。 最后，由于隔离电源绕组主要为前端小信号模拟电路供电，对电源的质量要求较高，因此设计时将低压差线性稳压器和DC/DC转换器配合使用。将经DC/DC转换的输出低电压经过低压差线性稳压器（LDO）的降噪和稳压处理，这样取长补短，既可以提高供电效率，又可满足纹波电压小的要求，具体LDO采用了MAX1726芯片[5]，它的工作电流仅2μA，输出为313V.稳压前的输出幅度取决于原边的输出功率和L2的电感量，经试验确定，L2为3mH，当原边电流在3~5mA之间变化，副边电流为2mA时，稳压前电压在318~418V之间波动，满足LDO稳压对输入的要求。 2.结论 两线制变送器隔离式电源具有使用温度范围宽、输入电压范围宽、输出效率高、集成度高、隔离性能好、体积小、成本低等特点，是一种稳定可靠的两线制变送器电源，能够满足各种具有复杂要求的两线制变送器的使用。该电源目前已经在一体化智能温度变送器上获得应用，经过长时间的现场应用考验，性能优良，完全达到了隔离型两线制变送器的使用要求。

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