光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点
cac55 2024-10-23 09:02 13 浏览 0 评论
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；
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；
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；
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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