自动化控制在工业和消费应用中越来越普遍，但即使是一流的自动化解决方案也依赖于一种古老的技术：电流环。电流环是控制环中常见的组件，可以双向工作：它们将测量结果从传感器传输到可编程逻辑控制器(PLC)，相反，控制输出也可以从PLC传递给工艺调制装置。

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4 mA至20 mA数据通过双绞线从远程传感器准确可靠地传输到PLC主流行业标准方法。简单、耐用、坚固、成熟、可靠的长距离数据传输、良好的抗噪声和低安装成本，使该接口非常适合长期工业过程控制和远程物体在嘈杂环境中的自动监控。传统上，由于上述原因，电流环路的电源由线性稳压器提供。使用线性稳压器的缺点是效率相对较低，电流容量有限。低效会导致散热问题，而有限的电流往往会阻碍增加所需的控制系统功能。

新型高效、高输入电压降压稳压器足够坚固、足够小，可以取代许多电流环路系统中的线性稳压器。与线性稳压器相比，降压稳压器具有电流容量高、输入范围宽、系统效率高等优点。在高开关频率下，降压稳压器具有明显的性能优势tON短时间有助于提供紧凑、鲁棒的解决方案。

背景知识

图1所示标准4 mA至20 mA电流环路可用于将现场仪器的传感器信息和控制信号传输到阀门定位器或其他输出执行器等工艺调节装置。它由四部分组成：

● 电流电路电源：电源电压VDC不同的应用(9) VDC、12 VDC、24 VDC等），电位至少比电路中组合部件（如发送器、接收器和导线）的压降高10%。该VDC传感器等部件由当地降压稳压器分离供电。

● 发送机：发送机的主要部件是传感器或变换器。它将温度、压力、电流、距离或磁场等物理信号转换为电信号。如果转换后的信号是模拟电压，则需要电压-电流转换AD一级代理更换器将电压转换为4 mA至20 mA电流信号。通过智能数字输出传感器DAC将数字信号转换回模拟信号。LDO或者降压稳压器中的本地电源为所有这些模拟、数字和参考电路供电。

● 接收器或监控器：接收器4 mA至20 mA可以进一步处理和/或显示电流信号转换为电压信号。电流信号通过高精度分路电阻器RSHUNT和/或模数转换器或数据采集电路转换为有用的电压电平。本地降压稳压器在仪表终端为接收器电路供电。

● 2线或4线环路：由串联发送机、电源和接收器组成的完整电流环路可延伸2000英尺以上。 mA至20 mA在电流环路中，电源和电流环路共用同一环路。

因此，通过EA、BJT（2SC1623）和100Ω（±0.1%)检测电阻(RSENSE)，变换器可以将电流环路中的电流从4 mA调制到20 mA，其中4 mA表示非零最小输出，20 mA表示最大信号。即使现场发送器没有过程信号输出，4 mA非零最小输出或零值以上输出也可为设备供电。因此，分流电路中的电流与压力、温度、液位、流量、湿度、辐射等环境变量成正比pH值或其它工艺变量。

两条长导线是信息承载电流环路的一部分，也用于VDC(接收器侧的电源)向发送器供电。VDC最小电压应足以覆盖导线、分路和发送机最小工作电压之间的压降。电源电压取决于应用程序，通常为12 V或24 V，但也可高达 36V。

肖特基二极管在远程发送器终端(D1)可以保护发送机免受反向电流的影响。在输入端放置齐纳二极管或TVS (D2)二极管可以提供进一步的保护，限制与电流环路电感成正比的瞬态电压浪涌。LT8618高效单片降压稳压器将环路电压降至5.5 V或3.3 V，为基准、DAC其他功能单元供电。

在图2中，VDC从几英尺到2000英尺几英尺到2000英尺不等。电流环路的杂散电感和降压稳压器的输入电容形成LC谐振槽。电源侧(VDC)远程发送器的输入侧也出现了瞬态。峰值电压可能是最坏情况下的无阻尼振荡VDC的两倍。例如，如果工作输入电压的典型值为24 V，最大规格值为36 V，发送器侧的最大电压可能超过65 V。，发送器前面可以使用TVS二极管D为了限制瞬态期间的任何浪涌，轻松实现保护。

为了尽量减少输入电压纹波，同时保持尽可能小的输入电容，我们倾向于使用较小的降压电感。然而，当使用大电感时，紧急模式会更有效率。 μH电感和1 V为了避免触发任何最小输入UVLO，对于使用LT8618的应用，100 nF输入电容就够了。

大部分纹波电流通过本地去耦电容器，其余部分与电流环路共享相同的路径。在电缆侧保持较小的电流纹波非常重要，因为它将作为电压纹波出现在检流电阻上，电压纹波的范围应小于ADC读取检流电阻电压的分辨率规格。额外的滤波器可以进一步减少电流纹波。RC滤波器是一个很好的设计折衷方案，因为它的输入电流很小，而且与LC成本低于滤波器。使用两级或三级联RC滤波器可以进一步实现较小的纹波电流。

通过LTspice模拟，我们可以比较源电缆侧输入滤波器结构的三种电流纹波，输入路径中串联的总电阻为100 Ω，使用LT8618（VIN= 28 V，VOUT= 5.5 V）以及82 μH电感。电流脉冲相当于输入滤波器LT当输出电流为10时，8618稳压器输入电流值 mA。

具有100 Ω和100 nF的单级RC源电缆侧滤波器60多个 μA峰峰电流纹波。如果增加电容或级联滤波级，源电缆侧的纹波电流会变小。考虑到降压稳压器直接输入电容时性能更好，且两级RC滤波器的BOM比三级小，源电缆侧的电流纹波相似。我们建议使用两级滤波器，每级50 Ω电阻和47 nF电容。电源电缆侧的纹波电流约为30 μA，相应地在250 Ω检流电阻可产生约7个.5 mV8位分辨率的纹波电压ADC差不多够了。在滤波器中使用更大的电容器，以进一步降低电缆侧纹波电流。例如，如果 nF电容替换为100 nF电缆侧纹波电流可降至7 μA，相应的纹波电压为1.75 mV。

图5.电流环路电源侧的电流纹波。

在典型的电流环路应用中，客户将在启动期间指定限流值(例如，3.2 mA），但这个限值可以在指定的短时间内超过。对输入电容器进行充电，通常会产生高冲击电流。除了限制电缆源侧的纹波电流外，还有助于限制启动时的冲击电流。图6显示输入电压VIN为24 V、输出侧负载电流为4 mA当两级输入滤波器启动时，输入电流随时间变化。

图6.限制冲击电流(从上部开始:输入电压20 V/div，输出电压5 V/div，启用，电缆侧输入电流，10 mA/div）

结论

电流环路广泛应用于工业和汽车系统，用于收集传感器信息并将其传输到控制系统，有时通过相对较长的电线传输。相反，环路将控制器输出和调制指令传输到远程执行器等设备。通过改进电流环路中的电源，尤其是用高效降压型稳压器取代传统的线性稳压器，可以显着提高效率和性能，也可以增强电流能力并扩大输入范围。高效、高输入电压的稳压器采用小型包装，导通时间最小，整体解决方案紧凑，尺寸和鲁棒可与LDO稳压器解决方案堪比。本文介绍了如何在4 mA至20 mA使用电流环路发送器LT满足严格的工业要求。