本文介紹如何使用 100 mA高速同步單晶片降壓型切換穩壓器取代LDO穩壓器，為電流迴路發送器設計精巧型電源。文中評估其性能，並選擇符合嚴格的工業標準的元件。並提供效率、啟動和漣波測試資料。

自動化控制在工業和消費類應用中越來越普遍，但即使是一流的自動化解決方案，也要依賴一種古老的技術：電流迴路。電流迴路是控制迴路中普遍存在的元件，可以雙向工作：其將測量結果從感測器傳遞至可編程邏輯控制器（PLC），反之，也可將控制輸出從PLC傳遞給製程調變裝置。

4 mA至20 mA的電流迴路是透過雙絞線將資料從遠端感測器準確可靠地傳輸至PLC的主流產業標準方法。簡單、耐用、堅固、成熟可靠的長距離資料傳輸、良好的抗噪性和低安裝成本，使此介面非常適合長時間的工業製程控制和在嘈雜環境下對遠端物體進行自動監測。

傳統上，由於前面提到的諸多原因，電流迴路的電源是透過線性穩壓器提供的。相較於切換穩壓器，使用線性穩壓器的缺點是效率相對較低，電流容量有限。效率低下會導致散熱問題，而有限的電流往往會妨礙增加所需的控制系統功能。

新型高效、高輸入電壓降壓穩壓器足夠堅固、足夠精巧，可取代很多電流迴路系統中的線性穩壓器。相較於線性穩壓器，降壓穩壓器有很多優點，包括電流容量更高、輸入範圍更寬、系統效率更高。降壓穩壓器具有明顯的性能優勢，在高切換頻率下的tON時間較短，有助於提供精巧、穩固的解決方案。

組成架構分析

圖1所示的標準4 mA至20 mA電流迴路可用於將現場儀器儀表的感測器資訊和控制訊號傳輸至製程調變裝置，如閥門定位器或其他輸出執行器。其由四個部分組成：

‧ 電流迴路電源：電源電壓V_DC根據應用有所不同（9 V_DC、12 V_DC、24 V_DC等），電位至少比電路中組合零件（如發送器、接收器和導線）的壓降高10%。該V_DC由本地降壓型穩壓器分接，為感測器和其他零件供電。

‧ 發送器：發送器的主要零件是感測器或變換器。其將溫度、壓力、電流、距離或磁場等實體訊號轉換為電訊號。如果轉換後的訊號是類比電壓，則需要一個電壓-電流轉換器作為發送器的一部分，將電壓轉換為4 mA至20 mA的電流訊號。對於智慧數位輸出感測器，則透過DAC將數位訊號轉換回類比訊號。發送器LDO或降壓型穩壓器中的本地電源為所有類比、數位和參考電路供電。

‧ 接收器或監控器：接收器將4 mA至20 mA的電流訊號轉換為電壓訊號，可以進一步處理AND/OR顯示。電流訊號透過高精度分路電阻器R_SHUNT和/或類比數位轉換器或資料獲取電路，轉換為有用的電壓位準。在儀表終端，本地降壓型穩壓器為接收器電路供電。

‧ 2線或4線迴路：完整的電流迴路電路可延伸2000英尺以上，由串聯的發送器、電源和接收器組成。在2線4 mA至20 mA電流迴路中，電源與電流迴路共用同一迴路。

圖1 : 2線電流迴路示意圖

例如，要使用遠端壓力感測器測量0 psi至50 psi的壓力， 4 mA至20 mA電流接收器電路與壓力-電流變換器串聯。在感測器端，壓力為0 psi時讀數為4 mA，壓力為50 psi時讀數為20 mA。在接收器端，由基爾霍夫第一定律可知，分路電阻器上會出現相同的電流，並將其轉換為電壓訊號。

工業、煉油廠、公路監控和消費類應用中的自動化操作需要高性能感測器技術和可靠、準確的電流迴路來傳輸感測器資訊。電流迴路的元件必須在擴展的–40°C至+105°C工業溫度範圍內保持高精度、低功耗和可靠運行，並具備必要的安全性和系統功能。

發送器（感測器）一側的電源電壓在瞬態時可高達65 V，必須將其轉換至5 V或3.3 V。由於感測器電路通常設計為直接從電流迴路取電（沒有額外的本地電源），因此通常限制在3.5 mA。隨著發送器功能特性的增加，當使用傳統線性穩壓器時，這個限制就成了一個問題，因為其無法提供任何額外的電流。此外，在使用線性穩壓器的系統中，大部分電量必須在穩壓器中消耗掉，從而在封裝系統中產生大量熱量。

LT8618將輸入範圍擴大到65 V，並將負載能力擴大到15 mA。在發射器被封裝並暴露在惡劣的環境變化中的情況下，其高效率消除了電流迴路系統設計中的熱約束。建議使用一個低成本的濾波器來減少電壓漣波和電纜側的電流漣波。本文分析功率調節器的性能，以滿足嚴格的工業要求。此外，並提供了效率、啟動、漣波等測試資料。

使用擴展輸入和負載範圍的降壓轉換器閉合電流迴路

LT8618為一款精巧型降壓轉換器，其眾多功能可滿足工業、汽車及其他不可預測之電源環境要求，適合4 mA至20 mA的電流迴路應用，具有超低靜態電流、高效率、寬廣輸入範圍、高達65 V的電壓和精巧的尺寸。圖2顯示一個完整的發送器電路解決方案，其使用LT8618為MAX6192C高精度電壓基準、電壓-電流轉換以及其他電路供電。

分流電路2SC1623的電流與誤差放大器（EA）正輸入端施加的電壓成正比。2.5 V的基準電壓由MAX6192C產生。MAX6192C為一款精密的基準電壓源IC，具有低雜訊、低壓降和最大5 ppm/攝氏度數的低溫度漂移。對於數位輸出與環境變數成比例的智慧感測器，DAC可以將數位訊號轉換為類比訊號，並將其發送至誤差放大器。

因此，透過EA、BJT（2SC1623）和100Ω（+/-0.1%）感測電阻（R_SENSE），變換器可將電流迴路中的電流從4 mA調變到20 mA，其中4 mA表示非零最小輸出，20 mA表示最大訊號。即使現場發送器沒有過程訊號輸出，4 mA的非零最小輸出或零值以上輸出也可以為裝置供電。因此，分流電路中的電流與環境變數成正比，比如壓力、溫度、液位元、流量、濕度、輻射、pH值或其他製程變數。

兩根長導線是資訊承載電流迴路的一部分，也用於從V_DC（接收器側的電源）向發送器供電。VDC的最小電壓應足以覆蓋導線、分路和發送器的最小工作電壓之間的壓降。電源電壓取決於應用，通常為12 V或24 V，但也可高達 36V。

在遠端發送器終端，蕭特基二極體（D1）可保護發送器免受反向電流的影響。在輸入端放置一個齊納二極體或TVS （D2）二極體可提供進一步的保護，從而限制與電流迴路電感成正比的瞬態電壓湧浪。LT8618高效單晶片降壓穩壓器將迴路電壓降低至5.5 V或3.3 V，為基準、DAC以及其他功能單元供電。

在圖2中，V_DC和發送器之間的接線可以從幾英尺到2000英尺不等。電流迴路的雜散電感與降壓穩壓器的輸入電容形成一個LC諧振槽。電源側（V_DC）的瞬態也出現在遠端發送器的輸入側。對於最壞情況下的無阻尼振盪，峰值電壓可能是VDC的兩倍。例如，如果工作輸入電壓的典型值為24 V，最大規格值為36 V，則發送器側的最大電壓就有可能超過65 V。

如圖2所示，可以使用發送器前面的TVS二極體D2輕鬆地實現保護，以限制瞬態期間的任何湧浪。

圖2 : 以LT8618作為直流電源的電流迴路

另外，並可以透過使用LDO穩壓器保護LT8618免受高電壓偏移的影響，從而建構一個高效的系統。在此種拓撲結構中，LDO穩壓器將調節到輸入電壓減去其壓差，而LT8618則以高效率將~24 V轉換為5 V或3.3 V。

LDO穩壓器的限流值應設定在通常的3.8 mA以下，同時還要保持高效率，並且LT8618的輸入電容基本上會使用去耦電容和儲能電容，這將支援在電流迴路電流消耗最小或無電流消耗的情況下，在後端短時間爆發高負載。

由於高壓偏移比較短，通常攜帶的總能量較少，因此在這些瞬變期間，LDO穩壓器中產生的功率損失不會影響整體效率；也就是說，LDO穩壓器幾乎所有時間都處於高降壓比之下。

典型的電流迴路會限制為整個遠端發送器供電的電源電路的輸入電流，LDO穩壓器的可用負載電流不能超過該輸入限流值。另一方面，降壓穩壓器可以使提供給負載的輸入電流成倍增加。

圖3顯示從24 V輸入電壓轉換為5.5 V輸出時LT8618穩壓器的輸出電流與輸入電流的關係。對於3.8 mA的輸入限流值，輸出電流差不多為15 mA。這部分額外的電力可增加操作餘量和啟用額外功能單元，簡化了系統設計人員的工作。

圖3 : 輸出電流與輸入電流的關係，VIN = 24 V，VOUT= 5.5 V

Burst Mode運行可提升輕載時的效率

LDO穩壓器的效率與降壓比（V_OUT /V_IN）成正比，當輸入電壓略高於輸出電壓時，效率會很高。降壓比偏高時會出現問題，此時效率非常低，會對系統產生很大的熱應力。例如，當輸入電壓為55 V，輸出電壓為3.3 V時，LDO穩壓器的功率損耗為0.19 W，負載電流為3.8 mA。相較之下，設計合理的降壓型穩壓器在高降壓比下卻可以非常高效。

此外，與非同步穩壓器相比，同步降壓型穩壓器可以用MOSFET取代續流二極體，從而提升效率。同步降壓轉換器面臨的挑戰是在整個負載範圍內優化效率，特別是在3 mA至15 mA的輕負載下，此時輸入電壓可高達65 V。

對於一個典型的同步降壓轉換器，主要有三種功率損耗：切換損耗、閘極驅動損耗，以及與轉換器IC控制器邏輯電路相關的損耗。如果降低切換頻率，可以大幅減少切換和閘極驅動損耗，因此只要以低頻率運行轉換器，就可以減少輕載時的切換和閘極損耗。

在輕載下，邏輯電路的偏置損耗與相對較低的切換相關損耗相當。偏置電路通常由輸出端供電，僅在啟動和其他瞬態條件下，通過內部LDO穩壓器從輸入端取電。

在輕載時，LT8618透過運行Burst Mode來解決邏輯電路損耗問題。此時，電流以短脈衝的形式傳遞到輸出電容，然後進入相對較長的休眠期，在此期間，大多數邏輯控制電路關閉。

為了提升輕載效率，可選用更大值的電感，因為在短切換脈衝期間可以將更多能量傳送到輸出，降壓穩壓器也可在這些脈衝之間更長時間地保持休眠模式。透過盡可能延長脈衝之間的時間，並儘量減少每個短脈衝的切換損耗，LT8618的靜態電流可低於2.5 uA，同時在輸入電壓高達60 V的情況下保持穩壓輸出。由於很多發送器電路大多數時候的電流都比較低，相較於電流消耗高達數十或數百uA的典型降壓穩壓器，此種低靜態電流節省了大量能源。

圖4顯示了圖2所示的電流迴路解決方案的效率，其中5.5 V_OUT輸出軌與LT8618的BIAS接腳相連。在100 mA滿負荷的情況下，峰值效率達到87%，輸入電壓為28 V，電感為82 uH。在同樣的28 V輸入電壓下，10 mA負載時的效率可達到或超過77%，表現出眾。

圖4 : LT8618在輕載時的高效率，VIN = 28 V，VOUT= 5.5 V，L = 82 μH

用於限制衝擊電流和電流迴路漣波的輸入濾波器

功率調節器的輸入端與電流迴路相連，因此，除了穩態限流外，在啟動或負載瞬變期間限制漣波電流和衝擊電流也很重要。功率轉換器啟動期間的衝擊電流取決於給定軟啟動時間內輸入電容和輸出電容的大小。這就需要權衡取捨：儘量減小輸入電容，防止產生大的衝擊電流，同時又要使其足夠大，以保持可接受的低漣波。

降壓型轉換器的輸入電流是脈衝電流；因此，輸入電容在為漣波電流提供濾波路徑方面產生關鍵作用。如果沒有此電容，大量的漣波電流將流經較長的電流迴路，導致降壓行為不可預測。因此，應當有一個最小的輸入電容可以滿足漣波電流和漣波電壓的要求。多層陶瓷電容（MLCC）由於其低ESR和ESL，在漣波電流方面性能優異。

當轉換器在Burst Mode下工作時，電感電流遵循三角形波形。電流迴路的阻抗比輸入濾波器高出許多。因此，輸入電容上的漣波電壓可透過下面的等式來估算，忽略電容的ESR和ESL，其中IPEAK是降壓電感中的衝擊電流，V_R是輸入電容上的漣波電壓（顯然，更高的衝擊電流需要更大的電容）。

為了儘量減少輸入電壓漣波，同時盡可能保持小的輸入電容，我們傾向於採用較小的降壓電感。然而，採用大電感時， Burst Mode 的效率會更高。對於82 μH電感和1 V漣波，為了避免在任何最小輸入情況下觸發UVLO，對於使用LT8618的應用，100 nF輸入電容就已足夠。

大部分漣波電流經過本地去耦電容，而剩餘部分與電流迴路共用相同的路徑。在電纜側保持較小的電流漣波很重要，因其將作為電壓漣波出現在感流電阻上，並且電壓漣波的幅度需要小於ADC讀取感流電阻電壓的解析度規格。電流漣波可以透過額外的濾波器進一步減少。RC濾波器為一種很好的設計折衷方案，因其輸入電流很小，並且與LC濾波器相比成本較低。使用兩級或三級聯RC濾波器可以進一步實現更小的漣波電流。

透過LTspice模擬，可以比較三種不同輸入濾波器結構在源電纜側的電流漣波，輸入路徑中串聯的總電阻為100 Ω，使用LT8618（V_IN= 28 V，V_OUT = 5.5 V）及82uH電感。電流脈衝相當於被輸入濾波器視為LT8618穩壓器輸入電流的值，此時輸出電流為10 mA。

具有100 Ω和100 nF的單級RC濾波器在源電纜側具有超過60 μA的峰對峰值電流漣波。如果增加電容或串聯濾波級，源電纜側的漣波電流會變小。考慮到降壓型穩壓器使用更大的直接輸入電容時性能更好，並且兩級RC濾波器的BOM比三級小，同時源電纜側的電流漣波類似，建議使用兩級濾波器，每級選用50 Ω電阻和47 nF電容。源電纜側的漣波電流約為30 μA，相應在250 Ω分流電阻上可產生大約7.5 mV的漣波電壓，這對8位元解析度的ADC而言差不多已經足夠。

為了進一步降低電纜側漣波電流，可以在濾波器中使用更大的電容。例如，如果將47 nF電容替換為100 nF的電容，電纜側漣波電流可降低至僅7 μA，相應的漣波電壓為1.75 mV。

圖5 : 電流迴路電源側的電流漣波

在典型的電流迴路應用中，客戶會指定啟動期間的限流值（例如3.2 mA），但在指定的短時間內可以超過這個限值。在降壓轉換器中，通常會產生高衝擊電流，用於為輸入電容充電。

輸入濾波器的功能有兩方面：除了限制電纜源側的漣波電流外，並有助於限制啟動時的衝擊電流。圖6顯示了輸入電壓V_IN為24 V、輸出側負載電流為4 mA時，兩級輸入濾波器啟動期間的輸入電流隨時間的變化。

圖6 : 使用輸入濾波器時的啟動電流，用於限制衝擊電流（從上部開始：輸入電壓20 V/div，輸出電壓5 V/div，啟用，電纜側的輸入電流，10 mA/div）

結論

電流迴路廣泛應用於工業和汽車系統中，用於收集感測器資訊並將其傳輸到控制系統，有時需經過相對較長的電線傳輸。反之，迴路將控制器輸出和調變指令傳輸到遠端執行器和其他裝置。透過改善電流迴路中的電源，尤其是用高效降壓型穩壓器取代傳統的線性穩壓器，可明顯提升效率和性能，也可以增強電流能力並擴大輸入範圍。

高效率、高輸入電壓的穩壓器採用小型封裝，具有較低的最小導通時間，可以實現精巧的整體解決方案，其尺寸和穩固性可媲美LDO穩壓器解決方案。本文說明如何在4 mA至20 mA的電流迴路發送器中使用LT8618，以滿足嚴格的工業要求。

（本文作者Zhongming Ye ¹、Juan-G Aranda²為ADI ¹首席應用工程師、²設計經理）