一款控制器需要通過4-20mA的信號控制外部負載。

要求4-20mA的信號需要與控制器實現電氣隔離;

輸出電流數值的精度在全溫度范圍內需要達到5%的精度要求;

分辨率需要達到0.05mA;

經過一番考慮之后，我設計了以上的電路;

4-20mA輸出電路

電路原理

單片機輸出PWM信號通過光耦合之后，之后再經過R、C濾波網絡濾成直流，

直流信號經過運放構成的電壓跟隨器進行阻抗變化之后，送到由電流環芯片XTR115;

XTR115

由其轉成電流信號輸出到負載;

假設單片機輸出的PWM信號的頻率為f，周期為T，占空比為α，

當R、C濾波網絡的時間常數遠大于PWM信號的周期T時(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XTR115的規格書，輸出電流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

幾個設計要點

1) N溝通MOS的可靠導通和截止

光耦6N135的參數如下：

最大正向導通電流：25mA;

正向導通電壓：1.4V-1.75V;

電流傳輸比(正向電流為4mA)>=5%;

將正向導通電流的最小值設置為4mA左右;

根據IF=(V3.3V-VF)/R25=4mA，可以選擇R25為300Ω;

當PWM輸出低時，光耦最小導通電流為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的導通電壓盡量小，這里選取GS的最小驅動電壓為4.0V;

因此R7=4.0V/0.2mA=20KΩ。

此時，AO3400的源、漏極的導通電阻最大為35mΩ;

2) 精度、分辨率以及其它

根據輸出電流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

VH為XT115的參考電壓2.5V，

當占空比為100%時，輸出電流選為25mA。

算得Rin取值為10KΩ，精度選為1%;

為了達到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時間等，PWM的頻率選為1KHz，脈寬的最小調節寬度為1us。

PWM的上升和下降沿必須要盡量陡峭，否則，上升、下降的延時時間受器件隨機性以及環境影響比較大。

為了達到這一目的，選擇開關頻率達到1MHz的高速光耦6N135，而且合理選擇光耦的負載電阻，避免由于其進入深入飽和，使得恢復時間變長而邊沿不夠陡峭。

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

當Q2導通時，C53通過R24以及Q2的導通電阻RDS(on)放電;

PWM濾波電路

PWM信號的周期的1ms，充放、電時間常數選擇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的導通電壓影響PWM轉為直流電壓的精度，將Q2選擇為N溝通的場效應管;

2) 三極管Q1的功耗和溫升

三極管Q1工作于放大狀態;

假設工作電壓為U，輸出電流為I，負載電阻為R;

三極管Q1的功耗為P=(U-I*R)*I，當I=U/2/R時，功率最大;

但是實際上，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U=24V，負載電阻R為100Ω，電流為25mA時，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℃。

原文標題：光電隔離的4-20mA輸出電路以及設計要點

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審核編輯：湯梓紅