4-20mA电流环路系统废能利用

由于接收机电阻不再接地参考，因此可能会需要电平移动电路，以连接数据转换器输入。任何高端分流监测器(例如：TI INA138等)都可提供这种极为简单的电路。这些器件对共模电压的小检测电阻压降进行测量，从而降低接收机电阻的必要压降。这样便让更多的电压可以为电源所利用，从而降低能源浪费。

这种电源通常会提供经过稳压的 3.3V 输出，以为电平位移器、数据转换器以及控制室内的所有其他低功耗设备供电。例如，来自 TI MSP430TM 平台的微处理器，其对接收数据进行检查，然后做出决策;来自 TI CC430 系列的低功耗 RF 器件，其将数据无线传输至其他地方。如果无需为特别长的电流环路购买和安接线路，从而实现成本节省，则无线发送器特别有用。这些器件的功耗必须非常低，因为榨取自电流环路的多余能源数量有限。

最后，这种电源还必须能与此类低功耗电源一起工作—最小电流 4mA，最大电流 20mA。由于这种电流所产生的电压为环路的多余电压，因此电源必须接受一个宽输入电压范围，并且仍然提供稳定的输出。对这种电源而言，更困难的是通过限流电源来启动系统。一般而言，启动期间要求更高的输出功率，对输出电容器充电，同时为负载提供启动电流。它远高于正常运行时系统消耗的量。如果电源要在启动期间提供这种高功率，则其输出功率会超出电流环路提供的量。如果出现这种情况，进入电源的电压会在电源关闭以前不断下降。这样，在重新开启以前，其输入电压会再次上升，并不断重复该过程。当电源通过这种小输入功率工作时，启动振荡是我们需要克服的一个难题。

能源利用解决方案

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