二线制4-20ma电流环中的多余电能再利用

常州天威自动化科技有限公司 薄中亚

4-20ma电流环是一种模拟信号的传送方式，它利用电流进行信号的传输，具有抗干扰能力强，数据传输准确的特点可以有效的克服长距离传输中环境的干扰，大大提高电路的传输可靠性。电流环的信号传输方式能耗虽然看起来已经很低但是除去正常的信号传输外仍有不少额外的电能被消耗掉，本文设计了一种采用宽输入电压范围的DC-DC电源利用4-20ma电流环路信号的多余电能设计出一个额外的3.3V的电源可以在系统中加以利用从而实现了电流环路多余电能的再利用

一、4-20ma电流环的组成

4-20ma电流环就是使用4ma表示零信号，用20ma表示信号的满刻度信号环路。在结构上有传感器、发送器、接收器和电源组成，如图1所示，传感器用来测量某一物理参数并提供相应的输出电压。

电流环中的发送器将传感器的输出电压成比例的转换为4-20ma的直流电流，接收器接受电流并将其转换为相应的电压等待系统做相应的判断，电源则为整个系统提供电源。

图1 电流环的组成

二、高效DC-DC同步降压转换器应用

以德州仪器（TI）生产的TPS62177系列高效同步降压转化器为核心元件设计高效DC-DC同步降压转换器。该器件的宽输入电压范围为4.7V至28V，4-20ma电流环的供电电压是24V，由此可知该器件完全适应电流环电压的范围，正常的工作，该芯片静态损耗电流只有4.8uA，低功耗设计使得该芯片可以在对电流环最小的干扰的情况下充分利用电流环中多余的电压。

按照芯片手册的典型电路要求，我们设计了图2的电路，具体元件的参数如图1中所示，在系统中降压转换器利用电流环中多余的电流和电压来为用电终端额外提供一个电压为3.3V电流最大可达500mA的电源。

图2 高效DC-DC同步降压转换器

图3 电流环高效DC-DC电源模块的接线

三、基于DC-DC高效同步降压转换器的4-20ma多余电能再利用的设计

在实际应用中只需要选择适当的位置将电源串联入电流环路，降电源的负极设为零电位，电源即可正常运行，如图3所示。在4-20ma电流环正常工作的同时TPS62177的电源凭借着超宽的工作范围为发送器端或者接收器端提供一个稳定的电源，可以用于数据和设备状态的采集，发射等等，从而不要单独设置电源和独立走线，而且利用的全部都是电流环路中多余的电能。

四、结语

本文是基于TPS62177的高效转换器作为核心，来进行4-20ma电流环多余电能的充分利用，在现实实验中我们已经利用这个方案成功为3.3V的无线数传模块提供了电源并且发送了完整的电流环接收端的数据，在不增加系统功耗的前提下简化了布线，提升了系统的集成度，降低了使用和维护成本，扩展了4-20ma电流环路的应用范围。