兩線制變送器微功率隔離電源設(shè)計(jì)

收稿日期:2006-06-14收修改稿日期:2006-11-15兩線制變送器微功率隔離電源設(shè)計(jì)梁偉(紹興文理學(xué)院機(jī)電系,浙江紹興312000摘要:介紹了一種用于兩線制變送器的微功率隔離式電源,核心采用高轉(zhuǎn)換效率的DC/DC芯片MAX639。它以降落在兩線制變送器上的12~35VDC為輸入電壓,固定消耗315mA電流,提供了兩組互相隔離的3V電源。與輸入不隔離的一組最大具有5mA負(fù)載能力,與輸入隔離的一組最大具有3mA負(fù)載能力。關(guān)鍵詞:微功率;隔離電源;兩線制變送器;溫度補(bǔ)償中圖分類號:TN302;TP303文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1002-1841(200702-0042-03DesignofMicro2powerIsolatedPowerSupplyofTwo2wireLIANGWei(DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,Sh312000,ChinaAbstract:Introducedamicro2powerisolatedpowero2adoptshighconversionefficientsDC/DCchipMAX639thatoffershigh2performanceofthefor2transmitter.Thispowersupplymadeuseofthe12~35VDCastheinputvoltageprovidedtwo2groupmutuallyisolated3Vpowersupplies.Theonegroup,whichisnotisthe5mAloadingcapacity.Theother,isolatedfromtheinput,hasthemaxiumum3mAloadingopresentedtheschemebythesoftwaretemperaturecompensation,whichcouldofferhigh2accuracycompensationtotemperaturedriftcausedbythetemperaturechange.Keywords:micro2power;isolatedpowersupply;two2wiretransmitter;temperaturecompensation0引言在開發(fā)低功耗的智能兩線制變送器時(shí),儀器內(nèi)部的微功率電源設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。首先,一般情況下具有微處理器的智能變送器要滿足微控制器、A/D、D/A及通訊電路的供電,需要比普通4~20mA變送器更大的功率,需要內(nèi)部電源具有更高的供電效率[1]。另外,對于電容傳感器和熱電偶,還要考慮接地或者傳感器可能碰殼(接地的情況,所設(shè)計(jì)的變送器電路必須是輸入與輸出相隔離的,這樣才能夠保證后續(xù)控制系統(tǒng)的正常工作和抗共模干擾能力。由于外部電路為兩線制變送器系統(tǒng)提供的工作電流最大4mA,這些具體要求給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)帶來了很大的難度和挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)的微輸入功率的隔離式兩線制變送器電源采用全集成電路設(shè)計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉的特點(diǎn)。它以降落在兩線制變送器上的12~35VDC為輸入電源,設(shè)計(jì)了簡潔的恒流穩(wěn)壓前端輸入電路,固定消耗315mA電流,提供了兩組互相隔離的3V電源。與輸入不隔離的一組最大具有5mA負(fù)載能力,與輸入隔離的一組最大具有3mA負(fù)載能力,完全滿足輸入與輸出隔離型的兩線制變送器對電源的要求。1整體設(shè)計(jì)圖1為電源原理圖。它由3個(gè)主要部分組成:U1、R1和Z1構(gòu)成的315mA/812V恒流穩(wěn)壓電路;由U2為核心構(gòu)成的DC/DC變換電路;由L2和U3構(gòu)成的一組隔離電源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求精簡、高集成度,并且所有元器件都選擇了能夠工作于-40~85℃擴(kuò)展工業(yè)級溫度區(qū)間的產(chǎn)品,能夠保證電源可靠應(yīng)用于現(xiàn)場變送器。圖1電源原理圖111恒流穩(wěn)壓電路作為給兩線制變送器供電的電源,必須保證最大工作電流不超過4mA,考慮到變送器需要有一定的低零點(diǎn)輸出指示,一般系統(tǒng)供電標(biāo)準(zhǔn)為315mA以下,同時(shí),這類電源必須具有恒流特性,以保證兩線制變送器的工作特性。設(shè)計(jì)恒流源的方法很多,該設(shè)計(jì)采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317L來設(shè)計(jì)恒流源[2]。LM317L是三端可調(diào)穩(wěn)壓器,圖2是它的典型應(yīng)用。圖2(a是它作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器時(shí)的基本應(yīng)用,此時(shí)在它的輸出端與調(diào)整端之間固定產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的壓差,典型值為1125V,因此,它的輸出電壓VO=1125(1+Ra/Rb。利用LM317的輸出端于調(diào)整2007年第2期儀表技術(shù)與傳感器InstrumentTechniqueandSensor2007No12端之間具有穩(wěn)定壓差的特性,它也經(jīng)常被用來設(shè)計(jì)恒流源,圖2(b是典型應(yīng)用電路,它產(chǎn)生的電流大小為I=1125/R.參見圖1,設(shè)計(jì)中R1取值為360Ω,故可以獲得約315mA的恒流。考慮到后續(xù)的DC/DC芯片的工作電壓范圍為4~11V,同時(shí)考慮到實(shí)際電源的輸出功率大小,使用了1個(gè)812V的穩(wěn)壓管Z1完成并聯(lián)穩(wěn)壓功能,同時(shí)為U2提供穩(wěn)定的入口電壓,條件是U2總消耗電流小于314mA,Z1必須選擇在小于011mA擊穿電流時(shí)即可穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)壓管(可選用Philips公司的產(chǎn)品,最低靜態(tài)穩(wěn)定電流僅幾十μA。(a基本應(yīng)用(b典型應(yīng)用圖2LM317L典型應(yīng)用電路前端的D1為防反相二極管,熔絲選擇了PTC器件自恢復(fù)保險(xiǎn)絲60,,它所處的環(huán)境溫,。電源的主要溫漂就是恒流的漂移,產(chǎn)生的原因是LM317L的基準(zhǔn)壓差的溫度漂移以及恒流電阻R1的溫度漂移。實(shí)際電路中,R1選擇了溫度系數(shù)低于5×10-6/℃的產(chǎn)品,溫漂可以忽略不計(jì)。LM317L的基準(zhǔn)壓差與溫度關(guān)系曲線見圖3,在-40~85℃的溫度范圍內(nèi),溫度的影響較明顯,在高精度應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)償?？紤]到電源的實(shí)際應(yīng)用都是針對智能變送器的,在智能變送器系統(tǒng)中,出于對傳感器校正以及線路補(bǔ)償?shù)饶康?變送器電路中都會設(shè)計(jì)溫度傳感器,如LM75或者TC77等數(shù)字測溫芯片,故此電路沒有設(shè)計(jì)專門的硬件補(bǔ)償,而是提供了一個(gè)軟件補(bǔ)償?shù)乃惴?用戶在應(yīng)用電源的時(shí)候可以采用它對電源的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。圖3LM317L基準(zhǔn)溫度特性曲線如圖3所示,LM317L的基準(zhǔn)壓差與溫度關(guān)系曲線近似于簡單的三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系形式,只需要設(shè)計(jì)Y軸反向的補(bǔ)償函數(shù)即可,系統(tǒng)以20℃為補(bǔ)償基點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn),具體補(bǔ)償公式為ΔI=A(t-202+B(t-203式中t為環(huán)境溫度。系數(shù)A和B可以依據(jù)實(shí)際采用的LM317L芯片手冊提供的基準(zhǔn)電壓溫度曲線導(dǎo)出,最簡單的做法就是取-20℃和60℃2個(gè)點(diǎn),獲取2個(gè)二元一次方程來求解A和B.這樣就能很容易獲取一個(gè)擬合程度比較好的補(bǔ)償曲線近似函數(shù),補(bǔ)償后的溫度漂移影響基本可以忽略不計(jì)。112DC/DC變換電路由于電源最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是輸入功率極小,因此對于隔離端的設(shè)計(jì)不能采用功耗比較大的隔離反饋模式,實(shí)際電路采用了副邊開環(huán)的方式。具體使用MAX639來設(shè)計(jì)DC/DC核心電路,實(shí)現(xiàn)了較高的電能效率轉(zhuǎn)換,在315mA供電輸入時(shí)可以提供遠(yuǎn)大于315mA的電流給電路供電,從而解決了智能系統(tǒng)大電流的需求。根據(jù)系統(tǒng)的要求,核心芯片必須具備微功耗、高效率、輸入電壓范圍寬,以及外圍器件簡單等優(yōu)點(diǎn)。圖1中DC/DC芯片為MAXIM公司的MAX639[3],它是降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片,它的主要特點(diǎn):輸入電壓范圍寬(4~1115V;轉(zhuǎn)換效率高(可達(dá)90%以上;靜態(tài)電流低(10μA;可固定輸出或可調(diào)輸出。電路設(shè)計(jì)為可調(diào)輸出,輸出設(shè)定為3V.輸出電流:Io=(Vi?Ii/Vo式中:Vi為輸入電壓;Ii;;Vo為輸出電壓i812i15mA,η=90%,Vo=3V,在不考Io約為816mA,這個(gè)輸出電流在。以上Io的計(jì)算只,要想在315mA/812V這樣微輸入功率的條件下使電路可靠啟動,并獲得90%以上的轉(zhuǎn)換效率需要對電路進(jìn)行非常細(xì)致的設(shè)計(jì)。DC/DC的可靠啟動是由許多條件制約的,必要的條件就是必須提供足夠大的啟動脈沖電流。在Z1旁并聯(lián)了1只10μF的鉭電解電容C2提供啟動保證,同時(shí)也能夠有效避免DC/DC的工作對LM317的恒流特性產(chǎn)生干擾。電感L1對DC/DC的轉(zhuǎn)換效率起決定作用,MAXIM手冊提供的算法是L1=50/IO,L1的單位是μH,IO的單位是A.實(shí)際電路中L1的取值為4mH,能夠保證電路在最大輸出功率下穩(wěn)定工作,同時(shí)又能夠保證足夠高的轉(zhuǎn)換效率。需要強(qiáng)調(diào)的是,如果L1偏小,電路的轉(zhuǎn)換效率將降低,啟動電流增大,甚至無法啟動。如果L1偏大,則會造成輸出能力下降,同時(shí)DC/DC電路將可能產(chǎn)生振蕩。為保證電路的穩(wěn)定,DC/DC芯片對輸出電容C3有著很高的要求,最重要的一點(diǎn)就是它的等效串聯(lián)電阻ESR必須足夠小[4],同時(shí)要有足夠的容量。電路設(shè)計(jì)采用了性能優(yōu)良的10μF鉭電解電容器,能夠保證穩(wěn)定的輸出。DC/DC芯片是該電路的核心,實(shí)際電路線路布局對電路的性能影響非常大,尤其對輸出的紋波有直接影響,不合理的電路板布局設(shè)計(jì)甚至?xí)谳敵鰩眍~外的寄生振蕩,設(shè)計(jì)時(shí)必須注意。最重要的原則就是C2與LI引線端要盡量靠近MAX639引腳,C2、D2、MAX639、R3以及C3的接地引腳盡量靠近,盡量使用粗線,最好使用地平面。DC/DC的輸入電壓設(shè)定為812V,由Z1保證,如果實(shí)際的變送器要求的電源功率比較小,Z1則可以選擇更低的穩(wěn)壓值,這樣能夠使整個(gè)電源對入口電壓要求更低。設(shè)計(jì)的入口電壓低限為12V,如果Z1選擇612V,則入口低限電壓可以降低到10V.113隔離電源繞組電路的主要特色是提供了一個(gè)隔離的供電繞組,它采用了在DC/DC輸出儲能電感上“竊”電的方法。如圖1所示,L2就第2期梁偉:兩線制變送器微功率隔離電源設(shè)計(jì)43是這個(gè)隔離電源的供電線圈。由于這組隔離電源是在DC/DC的儲能線圈上加載的副線圈,結(jié)構(gòu)為開環(huán)形式,因此它的輸出穩(wěn)定性相對比較差,在整體設(shè)計(jì)時(shí)必須從多角度統(tǒng)籌考慮,才能夠獲得滿意的效果。首先要確定它的輸出功率。由于采用在儲能線圈上“竊”電的方法,它的輸出功率是受限制的,只能小于原邊輸出功率。這組隔離電源輸出在具體變送器應(yīng)用時(shí)主要為傳感器轉(zhuǎn)換電路、前端A/D轉(zhuǎn)換器和隔離電路供電。差動電容傳感器、熱電偶傳感器及熱電阻等傳感器的模擬測量電路耗電是μA級的,前端A/D一般采用多積分型或者Σ-Δ型A/D,耗電小于1mA,低功耗光電隔離整體也能夠作到1mA以下。因此,隔離繞組只要保證能提供3mA的電流就能夠滿足實(shí)際需要,已經(jīng)計(jì)算出在無副繞組情況下,電路最大輸出為816mA,顯然在有副繞組的情況下,完全可以為它提供3mA電流。其次,隔離繞組由于采用開環(huán)結(jié)構(gòu),原邊負(fù)載的變化直接影響副邊的穩(wěn)定性,因此電路在實(shí)際使用時(shí),要求原邊的電路系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要盡可能保證功耗的穩(wěn)定性,比較大的器件使用工作/休眠輪換的方式供最大5mA的使用電流,控制系統(tǒng)的工作,,系統(tǒng)運(yùn)行速度。最后,電,對電源的質(zhì)量要求較高,因此設(shè)計(jì)時(shí)將低壓差線性穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器配合使用。將經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換的輸出低電壓經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO的降噪和穩(wěn)壓處理,這樣取長補(bǔ)短,既可以提高供電效率,又可滿足紋波電壓小的要求,具體LDO采用了MAX1726芯片[5],它的工作電流僅2μA,輸出為313V.穩(wěn)壓前的輸出幅度取決于原邊的輸出功率和L2的電感量,經(jīng)試驗(yàn)確定,L2為3mH,當(dāng)原邊電流在3~5mA之間變化,副邊電流為2mA時(shí),穩(wěn)壓前電壓在318~418V之間波動,滿足LDO穩(wěn)壓對輸入的要求。2結(jié)論兩線制變送器隔離式電源具有使用溫度范圍寬、輸入電壓范圍寬、輸出效率高、集成度高、隔離性能好、體積小、成本低等特點(diǎn),是一種穩(wěn)定可靠的兩線制變送器電源,能夠滿足各種具有復(fù)雜要求的兩線制變送器的使用。該電源目前已,經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場應(yīng)用考驗(yàn),性能優(yōu)良,。:]..現(xiàn)代電力(6:53-56.[2]SemiconductorComponentsIndustries.LM317LDATASHEET,REV8.2005:1-12.[3]唐慧強(qiáng),黃惟,李萍.精密儀表用隔離電源系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器,2002(6:30-32.[4]MAXIM.MAX639DATASHEET,REV3.1997:1-12.[5]范立青.DC/DC變換器的設(shè)計(jì).電子元器件應(yīng)用,2005,7(2:24-26.[6]MAXIM.MAX1726DATASHEET,REV1.2003:1-7.作者簡介:梁偉(1966—,教授,主要從事檢測技術(shù)、智能儀器及計(jì)算機(jī)控制等方面的開發(fā)、研究、設(shè)計(jì)及教學(xué)工作。(上接第19頁原有的忙邏輯進(jìn)行了修改。硬件方面,將雙口RAM原有的2個(gè)BUSY信號求邏輯或,這個(gè)結(jié)果再與中斷信號INT求邏輯或。這樣,只要通信雙方同時(shí)讀寫一個(gè)存儲單元,系統(tǒng)就認(rèn)為讀寫非法,同時(shí)中斷雙方的讀寫操作。這樣可以提高雙方交換數(shù)據(jù)的正確性。2.4與上位機(jī)的通信方案系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用串口模式,即將DSP的McBSP(MultichannelBufferedSerialPort外部引腳配置為RS-232串口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),與上位機(jī)的串口進(jìn)行通信。由于McBSP屬于同步串口,而RS-232為異步串口,所以要考慮到同步串口轉(zhuǎn)異步串口的擴(kuò)展。同步-異步轉(zhuǎn)換的基本原理就是對異步信號過采樣得到同步信號,串口的發(fā)送和接收都采用DMA方式,Buffer的大小為:1+8+1(無校驗(yàn)位,結(jié)束位長度為1=10word.發(fā)送較簡單,就是對每個(gè)Byte的每個(gè)B用1個(gè)word(16B代替,加上開始位、結(jié)束位。然后判斷是否可以發(fā)送(通過發(fā)送完畢標(biāo)志,如果可以則把這10個(gè)word放入Buffer,啟動DMA即可。在發(fā)送中斷服務(wù)程序中需要停止發(fā)送DMA,并置發(fā)送完畢標(biāo)志