功耗：智能變送器設(shè)計的主要考慮因素

在所需功率預(yù)算內(nèi)設(shè)計具有 4 mA 至 20 mA 模擬輸出和 HART（高速可尋址遠程傳感器）接口的環(huán)路供電現(xiàn)場儀表可能具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)代現(xiàn)場儀表，也稱為智能變送器，是基于微處理器的智能設(shè)備，用于監(jiān)控過程控制變量。隨著越來越多的處理能力被分配到現(xiàn)場領(lǐng)域，這種現(xiàn)場設(shè)備變得越來越智能。這種附加智能的結(jié)合，以及增強的功能和診斷能力，增加了開發(fā)能夠在4 mA至20 mA環(huán)路的有限功率內(nèi)有效運行的系統(tǒng)所涉及的挑戰(zhàn)。本文探討了系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的功耗挑戰(zhàn)，并深入探討了ADI公司開發(fā)并在HART通信基金會注冊的示例解決方案如何在整體系統(tǒng)級和智能發(fā)送器設(shè)計的基本信號鏈元件中應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。?

圖1.智能發(fā)射器信號鏈。

任何變送器最重要的元素是主傳感器及其最佳操作，以提供被測環(huán)境參數(shù)的最準(zhǔn)確表示。主變量通常依賴于次變量（例如，壓力傳感器的溫度補償）。在圖2所示的示例中，傳感器是阻抗為5 kΩ的阻性電橋，所選工作模式為連續(xù)3.3 V電壓激勵。這導(dǎo)致傳感器消耗660 μA的總系統(tǒng)功率預(yù)算。

圖2.啟用HART的現(xiàn)場儀表演示框圖。

ADuCM360精密模擬微控制器集成了兩個具有可編程增益的低噪聲精密儀表放大器。放大器針對盡可能低的功率進行了優(yōu)化，其級僅在需要獲得所需增益時才開啟。這允許在電路的性能和功率要求之間進行最佳權(quán)衡。在本文描述的示例電路中，主傳感器的激勵電壓僅為激勵電壓的一半，信號電平僅為一半，并通過以編程方式將放大器增益從16加倍至32來優(yōu)化信號鏈性能。這意味著傳感器激勵電流可節(jié)省330 μA，放大器電源電流增加60 μA，凈節(jié)省270 μA。在考慮這種權(quán)衡時，確實還有其他方面需要考慮;例如，外部電磁干擾期間的傳感器信噪比。完全集成的可編程解決方案有助于設(shè)計人員更輕松地評估這些選項。

兩個 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 對放大的初級和次級傳感器信號進行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。在圖2中，ADC集成在ADuCM360上，并再次針對所需性能所需的最低功耗進行了優(yōu)化。Σ-Δ架構(gòu)提供固有的高分辨率、線性度和精度，而數(shù)字濾波器始終包含在Σ-Δ ADC中，允許在所需信號帶寬和輸入噪聲之間進行可編程權(quán)衡，后者對可實現(xiàn)的分辨率有直接影響?，F(xiàn)場儀器輸入通常需要高于 16 位的分辨率，以便在其輸出端提供 16 位分辨率。

微控制器用于處理來自所有現(xiàn)場儀表傳感器的輸入，并計算測量過程變量的結(jié)果值。最重要的是，處理器需要執(zhí)行更多的診斷以及更復(fù)雜的通信。在本例中，使用了 32 位 ARM Cortex-M3 RISC 處理器，輔以 128 kB 閃存、8 kB SRAM 和其他外設(shè)，如上電復(fù)位功能、時鐘生成、數(shù)字接口和一系列診斷功能。因此，微控制器是一個復(fù)雜的組件，可能需要大量功率，因此每mW可以完成的處理越多越好。?

系統(tǒng)中一個明顯的權(quán)衡是在微控制器內(nèi)核速度和電源電流之間進行權(quán)衡。通過為每個數(shù)字外設(shè)（如串行接口和定時器）選擇最低的必要時鐘頻率，可以實現(xiàn)不太明顯的節(jié)能效果。在本例中，4 mA至20 mA輸出更新的最快速度為每1 ms一次。雖然ADuCM360允許SPI接口的最大時鐘頻率為16 MHz，但使用具有最佳時鐘分頻器的中等100 kHz串行時鐘可節(jié)省約30 μA的芯片電流。通過降低與印刷電路板（PCB）走線上SPI信號的寄生電容和元件引腳電容相關(guān)的動態(tài)電流，可以節(jié)省額外的幾μA電流。ADuCM360上使用的Cortex-M3功耗約為290 μA/MHz。它包括非常靈活的內(nèi)部電源管理選項，能夠動態(tài)切換電源和時鐘速度到內(nèi)部模塊，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)功耗與性能平衡。

現(xiàn)場儀表4 mA至20 mA輸出電流由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和輸出電流驅(qū)動器設(shè)置。AD5421集成了16位DAC和電流輸出級。它還集成了一個精密基準(zhǔn)電壓源和可編程電壓調(diào)節(jié)電路，這是從環(huán)路中提取電源所必需的，以便為自身和發(fā)射器信號鏈的其余部分供電。此外，AD5421還提供多種片內(nèi)診斷功能，所有這些功能都可以由微控制器配置和讀取，但也可以自主工作。即使集成度如此之高，AD5421的最大總電流也僅為300 μA，溫度范圍內(nèi)的總未調(diào)整誤差規(guī)格小于FSR±0.05%，從而最大限度地提高了通信測量的粒度和精度，而不會對系統(tǒng)功耗產(chǎn)生不利影響。

最后，與4 mA至20 mA模擬輸出相輔相成的是HART調(diào)制解調(diào)器，它在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，提供與主機系統(tǒng)的數(shù)字通信。HART通信允許實現(xiàn)純模擬通信無法想象的功能。示例包括主機檢索儀器的輔助變量、診斷信息或執(zhí)行遠程校準(zhǔn)例程。同樣，低功耗以及小尺寸是設(shè)計HART電路時的重要考慮因素。這里使用AD5700。AD5700的典型發(fā)射和接收電流分別為124 μA和86 μA，對儀器總電流預(yù)算的貢獻不大。HART輸出調(diào)制輸出電流，并通過專用引腳與AD5421內(nèi)部求和節(jié)點接口。HART輸入通過一個簡單的無源RC濾波器從電流環(huán)路耦合。RC濾波器可用作HART解調(diào)器的第一級帶通濾波器，并提高了系統(tǒng)電磁抗擾度，這對于在惡劣工業(yè)環(huán)境中工作的穩(wěn)健應(yīng)用非常重要。HART調(diào)制解調(diào)器的時鐘由片內(nèi)低功耗振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器帶有一個3.8664 MHz的外部晶體，兩個8.2 pF電容接地，直接連接到XTAL引腳。此配置使用盡可能少的功率。

圖3.完整的4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場儀器，帶HART接口。

在檢查了完整的信號鏈之后，很明顯，在這樣一個每一微安都很重要的應(yīng)用中，圖3所示的HART支持現(xiàn)場儀表演示電路被證明是非常寶貴的。表1概述了該DEMO-AD5700D2Z系統(tǒng)中測量的電流擊穿，顯示總電流完全在此類設(shè)計可用的3.5 mA（“低報警”設(shè)置）最大允許系統(tǒng)功率預(yù)算范圍內(nèi)。

總之，該解決方案不僅功耗低，而且還是一種高性能解決方案，面積開銷最小，更不用說符合HART標(biāo)準(zhǔn)了。它已經(jīng)過合規(guī)性測試、驗證，并注冊為HART通信基金會批準(zhǔn)的HART解決方案。這種成功的注冊為電路設(shè)計人員在使用電路中概述的組件時注入了信心。ADuCM360的高集成度可實現(xiàn)高度的靈活性，并將重點從傳統(tǒng)的分立元件設(shè)計轉(zhuǎn)移到芯片內(nèi)每個集成模塊的最佳利用上。系統(tǒng)設(shè)計人員只需更改軟件中的電路設(shè)置，即使在設(shè)計的后期階段，也可以探索前面描述的權(quán)衡取舍。這樣可以縮短設(shè)計周期，輕松進行電路修改，并調(diào)整電路性能，而無需進行昂貴且耗時的PCB修訂。

審核編輯：郭婷