我們的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(xiàn)電氣隔離,；

輸出電流數(shù)值的精度在全溫度范圍內(nèi)需要達到5%的精度要求,；

分辨率需要達到0.05mA；

經(jīng)過一番考慮之后,，我設(shè)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(jīng)過R,、Ｃ濾波網(wǎng)絡(luò)濾成直流,，

直流信號經(jīng)過運放構(gòu)成的電壓跟隨器進行阻抗變化之后，送到由電流環(huán)芯片XTR115；

XTR115

由其轉(zhuǎn)成電流信號輸出到負載,；

假設(shè)單片機輸出的PWM信號的頻率為f,，周期為T，占空比為α,，

當(dāng)R,、C濾波網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)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(jù)XTR115的規(guī)格書,，輸出電流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

幾個設(shè)計要點

1) Ｎ溝通ＭＯS的可靠導(dǎo)通和截止

光耦6N135的參數(shù)如下：

最大正向?qū)娏鳎?5mA,；

正向?qū)妷海?.4V-1.75V,；

電流傳輸比(正向電流為4mA)>=5%；　

將正向?qū)娏鞯淖钚≈翟O(shè)置為4mA左右,；　

根據(jù)IF=(V3.3V-VF)/R25=4mA,，可以選擇R25為300Ω；

當(dāng)PWM輸出低時,，光耦最小導(dǎo)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(dǎo)通電壓盡量小,，這里選取GS的最小驅(qū)動電壓為4.0V；

因此R7=4.0V/0.2mA＝20KΩ,。

此時,，AO3400的源、漏極的導(dǎo)通電阻最大為35mΩ,；

2) 精度,、分辨率以及其它

根據(jù)輸出電流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

VH為XT115的參考電壓2.5V,，

當(dāng)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(yīng)時間等,，PWM的頻率選為1KHz，脈寬的最小調(diào)節(jié)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(huán)境影響比較大,。

為了達到這一目的,，選擇開關(guān)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(fù)時間變長而邊沿不夠陡峭。

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

當(dāng)Q2導(dǎo)通時,，C53通過R24以及Q2的導(dǎo)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(shù)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(dǎo)通電壓影響PWM轉(zhuǎn)為直流電壓的精度,，將Q2選擇為N溝通的場效應(yīng)管,；

2) 三極管Q1的功耗和溫升

三極管Q1工作于放大狀態(tài),；

假設(shè)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(dāng)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(dāng)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℃,。