一款控制器需要通過4-20mA的信號控制外部負(fù)載。

要求4-20mA的信號需要與控制器實(shí)現(xiàn)電氣隔離;

輸出電流數(shù)值的精度在全溫度范圍內(nèi)需要達(dá)到5%的精度要求;

分辨率需要達(dá)到0.05mA;

經(jīng)過一番考慮之后，我設(shè)計(jì)了以上的電路;

4-20mA輸出電路

電路原理

單片機(jī)輸出PWM信號通過光耦合之后，之后再經(jīng)過R、C濾波網(wǎng)絡(luò)濾成直流，

直流信號經(jīng)過運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變化之后，送到由電流環(huán)芯片XTR115;

XTR115

由其轉(zhuǎn)成電流信號輸出到負(fù)載;

假設(shè)單片機(jī)輸出的PWM信號的頻率為f，周期為T，占空比為α，

當(dāng)R、C濾波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于PWM信號的周期T時(shí)(一般需要為周期T的10倍，

其濾得的直流信號幅度為VH*α。

根據(jù)XTR115的規(guī)格書，輸出電流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1) N溝通MOS的可靠導(dǎo)通和截止

光耦6N135的參數(shù)如下：

最大正向?qū)娏鳎?5mA;

正向?qū)妷海?.4V-1.75V;

電流傳輸比(正向電流為4mA)>=5%;

將正向?qū)娏鞯淖钚≈翟O(shè)置為4mA左右;

根據(jù)IF=(V3.3V-VF)/R25=4mA，可以選擇R25為300Ω;

當(dāng)PWM輸出低時(shí)，光耦最小導(dǎo)通電流為4mA;

最小輸出電流為4mA*5%=0.2mA;

N溝通MOS的門-源級最小電壓為0.2mA*R7;

為了讓N溝通MOS AO3400的導(dǎo)通電壓盡量小，這里選取GS的最小驅(qū)動電壓為4.0V;

因此R7=4.0V/0.2mA=20KΩ。

此時(shí)，AO3400的源、漏極的導(dǎo)通電阻最大為35mΩ;

2) 精度、分辨率以及其它

根據(jù)輸出電流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

VH為XT115的參考電壓2.5V，

當(dāng)占空比為100%時(shí)，輸出電流選為25mA。

算得Rin取值為10KΩ，精度選為1%;

為了達(dá)到0.05mA的分辨率，最小占空比為0.05/25=0.2%。

綜合考慮電流輸出的響應(yīng)時(shí)間等，PWM的頻率選為1KHz，脈寬的最小調(diào)節(jié)寬度為1us。

PWM的上升和下降沿必須要盡量陡峭，否則，上升、下降的延時(shí)時(shí)間受器件隨機(jī)性以及環(huán)境影響比較大。

為了達(dá)到這一目的，選擇開關(guān)頻率達(dá)到1MHz的高速光耦6N135，而且合理選擇光耦的負(fù)載電阻，避免由于其進(jìn)入深入飽和，使得恢復(fù)時(shí)間變長而邊沿不夠陡峭。

當(dāng)Q2截止時(shí)，參考電壓Vref通過R6、R24向C53充電;充電時(shí)間常數(shù)為(R6+R24)*C53;

當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，C53通過R24以及Q2的導(dǎo)通電阻RDS(on)放電;

PWM濾波電路

PWM信號的周期的1ms，充放、電時(shí)間常數(shù)選擇20ms;

因此，R6選為1KΩ、R24選為20KΩ，C53選為0.1uF;

為了避免三極管的C、E的導(dǎo)通電壓影響PWM轉(zhuǎn)為直流電壓的精度，將Q2選擇為N溝通的場效應(yīng)管;

2) 三極管Q1的功耗和溫升

三極管Q1工作于放大狀態(tài);

假設(shè)工作電壓為U，輸出電流為I，負(fù)載電阻為R;

三極管Q1的功耗為P=(U-I*R)*I，當(dāng)I=U/2/R時(shí)，功率最大;

但是實(shí)際上，電流最大范圍為0mA-25mA。

最大功率為Pmax=U*U/4/R;

控制器承諾的工作范圍為12V-24V;

當(dāng)U=24V，負(fù)載電阻R為100Ω，電流為25mA時(shí)，功率最大Pmax=(24-2.5)*25mA=537.5mW。

TO220封裝的熱阻約為θJA=54℃/W，最大溫升為0.5375*54℃/W=29℃。

原文標(biāo)題：光電隔離的4-20mA輸出電路以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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審核編輯：湯梓紅