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光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点

 龙之吻6iinxl8c 2020-12-14

我们的一款控制器需要通过4-20mA的信号控制外部负载。

要求4-20mA的信号需要与控制器实现电气隔离;

输出电流数值的精度在全温度范围内需要达到5%的精度要求;

分辨率需要达到0.05mA;

经过一番考虑之后,我设计了以上的电路;

光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点

4-20mA输出电路

电路原理

单片机输出PWM信号通过光耦合之后,之后再经过R、C滤波网络滤成直流,

直流信号经过运放构成的电压跟随器进行阻抗变化之后,送到由电流环芯片XTR115;

光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点

XTR115

由其转成电流信号输出到负载;

假设单片机输出的PWM信号的频率为f,周期为T,占空比为α,

当R、C滤波网络的时间常数远大于PWM信号的周期T时(一般需要为周期T的10倍,

其滤得的直流信号幅度为VH*α。

根据XTR115的规格书,输出电流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

几个设计要点

1) N沟通MOS的可靠导通和截止

光耦6N135的参数如下:

最大正向导通电流:25mA;

正向导通电压:1.4V-1.75V;

电流传输比(正向电流为4mA)>=5%; 

将正向导通电流的最小值设置为4mA左右; 

根据IF=(V3.3V-VF)/R25=4mA,可以选择R25为300Ω;

当PWM输出低时,光耦最小导通电流为4mA;

最小输出电流为4mA*5%=0.2mA;

N沟通MOS的门-源级最小电压为0.2mA*R7;

为了让N沟通MOS AO3400的导通电压尽量小,这里选取GS的最小驱动电压为4.0V;

因此R7=4.0V/0.2mA=20KΩ

此时,AO3400的源、漏极的导通电阻最大为35mΩ;

2) 精度、分辨率以及其它

根据输出电流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

VH为XT115的参考电压2.5V,

当占空比为100%时,输出电流选为25mA。

算得Rin取值为10KΩ,精度选为1%;

为了达到0.05mA的分辨率,最小占空比为0.05/25=0.2%。

综合考虑电流输出的响应时间等,PWM的频率选为1KHz,脉宽的最小调节宽度为1us。

PWM的上升和下降沿必须要尽量陡峭,否则,上升、下降的延时时间受器件随机性以及环境影响比较大。

为了达到这一目的,选择开关频率达到1MHz的高速光耦6N135,而且合理选择光耦的负载电阻,避免由于其进入深入饱和,使得恢复时间变长而边沿不够陡峭。

当Q2截止时,参考电压Vref通过R6、R24向C53充电;充电时间常数为(R6+R24)*C53; 

当Q2导通时,C53通过R24以及Q2的导通电阻RDS(on)放电;

光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点

PWM滤波电路

PWM信号的周期的1ms,充放、电时间常数选择20ms;

因此,R6选为1KΩ、R24选为20KΩ,C53选为0.1uF; 

为了避免三极管的C、E的导通电压影响PWM转为直流电压的精度,将Q2选择为N沟通的场效应管;

2) 三极管Q1的功耗和温升

三极管Q1工作于放大状态;

假设工作电压为U,输出电流为I,负载电阻为R;

三极管Q1的功耗为P=(U-I*R)*I,当I=U/2/R时,功率最大;

但是实际上,电流最大范围为0mA-25mA。

最大功率为Pmax=U*U/4/R;

控制器承诺的工作范围为12V-24V;

当U=24V,负载电阻R为100Ω,电流为25mA时,功率最大Pmax=(24-2.5)*25mA=537.5mW。

TO220封装的热阻约为θJA=54℃/W,最大温升为0.5375*54℃/W=29℃。

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