4-20mA电流环路系统废能利用

正如前面所述，废能利用型电源必须拥有较宽的输入电压范围，能够通过非常小的输入功率工作，并能在通过限流电源供电时避免出现启动振荡。TI 的 TPS62125 便是一个这种电源，因为它通过一个 3-17V 输入工作，仅要求 11 µA 的工作电流，并且拥有带可调磁滞的可编程使能阈值电压。TPS62125 产品说明书中建议的电路有三个小改动：

　　1、给器件输入添加一个 15V 齐纳二极管，以在其承受的多余环路电压超出其17V额定值时提供保护。如果使用一个低压电流环路系统，则无需使用这种二极管。最大电压控制在 15.6V 的齐纳二极管可以获得较好的结果。

　　2、给器件输入端添加大容量电容，以存储足够的能源，用于启动和负载变化。根据启动期间负载的功率需求情况，可能会不需要使用这种电容器。总计约200 µF　的电容，便可让举例负载实现平稳的启动，其在启动时需要 3.3V、50Ma 的电源持续供电30ms，而启动以后则只需要 10mA 的电流。大容量电容还可为可能出现的定期高功率需求提供存储能源，例如：温度测量、数据转换器读取操作或者通过天线发送数据。

　　3、对器件的使能阈值电压进行调节，这样器件便可在其电压达到 12V 时开启。对器件编程，让其在输入降至 4V 时关闭。一旦启用，器件便高效地将这种重新得到利用的能源转换为其 3.3V 输出。

　　例如，一个电源解决方案，我们选择 4V 作为关闭电压，目的是提供输入电压到输出电压的规定余量，从而让器件能够保持 3.3V 稳压输出。使用 12V 的开启电压，用于满足系统的各种要求。我们假设，24V 电源的变化范围为 18V 到 30V 之间，并且电流环路压降共计为 6V 最大值，从而让器件在极端情况时承受 12V 的最小值。因此，我们选择 12V 作为启动电源的点，因为它是器件可能会承受的最小电压。另外，12V 最小电压可以在开启电压和关闭电压之间实现充分的间隔，这样电源便在没有启动振荡的情况下启动进入高功率负载状态。

　　上述电源解决方案通过 TI 的 XTR111 启动和关闭。XTR111 是一个 4-20mA电流环路发送器，能够始终提供 4Ma 以下的电流。图 3 显示了这种解决方案的启动情况。发送器启用以后，它便开始提供电流，其将输入电压升高至电源的 12V 开启点。电源输出电压上升进入调节区域，然后立即提供 50 mA 的负载启动电流。这会稍微降低电源的输入电压，但电源保持对输出电压的调节，原因是其宽电压范围和大容量输入电容器。负载启动能耗持续 30ms 以后，负载电流减少至稳定状态，即 10mA 电平。输入电压进一步上升，并受齐纳二极管控制，保持在 15V 电平。正如我们已经注意到的那样，电流环路提供的电流始终保持在4mA以下。

　　图 3 废能利用型电源的启动

　　图 4 显示了图 3 的放大图。电源从大容量电容器吸取存储的电能，以满足启动负载电流需求，同时电流环路始终提供低于 4mA 的电流。这种吸能过程，会使输入电压降低约 2V，但对这种电源而言，这是可以接受的。

　　图 4 提供负载启动电流的废能利用型电源

　　最后，废能利用的电源在大容量电容器中存储足够的电能，然后在一个足够宽的输入电压范围工作，以向负载提供持续的功率脉冲。图 5 所示电源，每秒为负载提供持续时间 100ms 的 20mA 电流，并且保持对电源输出电压进行稳压。

　　图 5提供负载电源脉冲的废能利用型电源

　　结论

　　在4-20mA电流环路系统中，我们可以对那些被浪费掉电能加以有效利用。这种电能可以为控制室需要的数据转换器和微处理器供电，以对来自电流环路的数据进行处理，并且它还可以为低功耗RF发送器供电，从而扩展了4-20mA电流环路的应用范围，同时通过减少要求的布线数量，节省了此类系统的成本。拥有宽输入电压范围、可使用极小功率工作且能够在没有振荡的情况下通过限流电源启动的电源，可让废能重新得到利用，并在系统中继续发挥其作用。